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金沙城赌场网站,一种神奇的材料,让凡人也能手撕钢铁侠
2020-01-09 14:04:26 阅读:3772

金沙城赌场网站,一种神奇的材料,让凡人也能手撕钢铁侠

金沙城赌场网站,复旦大学高分子科学系教授

先进材料实验室principle investigator

我想跟大家分享一个科学故事,这个故事的主题是:一类神奇的纤维材料与器件。

谈到纤维,大家可能比较熟悉,衣服的基本单元就是纤维,纤维衣服最基本的作用就是防寒保暖。但是,大家能否想象,在不久的将来,一件衣服可以发电、可以治病,可以让你飞檐走壁。

故事首先从能源讲起。

在日常生活中我们常见的能源器件分两类:一类用于发电,叫能源转换器,比如太阳能电池;另一类用于储存能量,比如锂离子电池或超级电容器。对于这两类能源器件,我们通常见到的是板状或块状结构,是刚性而且比较笨重的。

这个结构限制了它们在很多领域的应用,尤其是一些重要新兴领域的发展,例如可穿戴设备领域。作为一个正蓬勃发展的重要领域,可穿戴设备往往需要设计得非常轻巧、方便携带、舒服又安全。

但过去那些板状或块状的能源器件满足不了那样的要求,它无法紧贴不规则的肌体,也不透气保湿。所以我们设想,如果能把太阳能电池、锂离子电池做成纤维,纤维就可以变成织物,最后做成衣服。

大家可以设想,未来我们穿着的衣服就能发电,它可以解决很多领域的用电需求,从而改变我们的生活。要做成这种发电的衣服,首先我们要得到这种能发电的纤维。

这种能发电的纤维,首先它是一个器件,而任何器件的核心部件都是电极,所以我们又要先得到纤维的电极材料。因此我们发明了一种名为“取向碳纳米管纤维”的独特材料,它是由碳纳米管通过拉丝的方式获得。

碳纳米管是一个什么样的材料?这是一个由碳原子形成的管状结构,其直径只有头发丝的千分之一到万分之一,它的密度是钢的六分之一,但强度却是钢的100倍。

它的电导率与金属相当,所以可以制作成纤维碳纳米管电池,然后制成衣服,这样的衣服一个白天(10小时)可发电6.1万毫安时,相当于反复为你的苹果手机充电4次。

这个衣服的基本单元是纤维太阳能电池,它到底是怎么做的?我们来看一看。图片左上角是一个典型的结构,蓝颜色是一个作为电极的碳纳米管纤维,我们在它的表面镀上红色的光电活性材料,用于吸收太阳光产生电。

而碳纳米管纤维的正面涂了另外一层电极膜,两个电极可把红色光电活性材料产生的电传去外电路。

在反复弯折时,这种碳纳米管纤维仍可稳定供电,现在光电转化率最高可达到9.45%,意味着它可以在商业上进行推广应用。

这个纤维状太阳能电池还有一个独特的优点,即不管阳光从哪个角度照过来,它的光电转化率都非常稳定。这意味着,当你穿一件由这种纤维构成的衣服去运动,在运动过程中,衣服输出的电都非常稳定,从而高效、安全地为电子产品供电。

在白天,太阳能电池可以供电,那晚上怎么办?我们希望,这件衣服还可以将白天的电通过太阳能电池储存起来,供晚上需要的时候使用。这也就是说,我们还希望把锂离子电池、超级电容器等等这些储能的器件也做成衣服。

除了锂离子电池、超级电容器,还有其他很多的储能器件,如锂硫电池、锂空电池、新空电池等等都在发展过程当中,正慢慢走入我们的生活。对于这类广泛的各式储能器件,我们都可以把它做成纤维,按照不同的要求进行组装,做成衣服。

发电、储电,是这类神奇纤维的第一大主要功能。

接下来我跟大家介绍这个纤维的第二大功能,如果我把它做成衣服,这件衣服是可以变色的。

我们可以把它做成各种各样的颜色,把它图案化,将它按照你的需求进行改变。未来,你可能只需要买一件衣服,就可以适应不同场合的穿搭。

我跟大家介绍下这变色的纤维是怎么来制备的。变色龙可在不同环境下改变皮肤的颜色,这主要源自它皮肤表层材料结构的改变。基于类似思路,我们引入了“丁二炔”这类高分子材料,它可以跟碳纳米管进行复核,当通电时,这个高分子的结构会发生改变。

改变以后,大家可以看到颜色的变化。你可以看到,蓝色的纤维在通电后变成红色,当你把电撤去后,红色又很快回到蓝色,整个过程非常迅速,在一秒内完成,然后它可以反复进行。

很多时候,我们还希望在晚上能看到衣服颜色的改变,那就意味着衣服必须能发光,我们也要得到发光的纤维。

我们首先在一根纤维(可以是碳纳米管纤维)的电极基底上涂上一层发光的活性材料,再涂上另一层发光电极,这实际上就是两个电极中间夹杂着一个活性发光材料。

它可以连续地构建,通过一个机器得到很长的一个纤维,这样一个纤维在很小的电压(3-5伏)下,可以均匀地360度发光,而且它还非常可控,你可以得到不同的颜色。

这是我跟大家介绍的第二类可变色和发光的功能。

纤维人工肌肉

第三类我想跟大家介绍的是它的变形,即它起到了类似于人工肌肉的作用,这是我们偶然发现的一个非常有趣的现象。

当很多碳纳米管相互缠绕形成一根纤维时,通电后,你会发现这根纤维有一个轴向的收缩,又有一个径向的旋转,经过测算,它的作用力大概是最强自然骨骼肌肉的100多倍。

这个新现象的可能解释是,碳纳米管相当于一根导线,这个纤维里面有很多导线,当两根导线通电后,它会产生一个电池相互作用力,从而导致这个纤维发生运动的响应。因为一根纤维的直径横截面大概会有数百根碳纳米管,所以它的累积作用力非常强。

我们对这个作用力做了一些应用的示范,大家可以看到,我们把一根纤维黏在纸片上,纸片很重,它可能是这个纤维的几百倍重量,但你看到通电以后,这个纸片被弹起来了。

我们可以想象用它做成一个翅膀,只用接通一股很小的电流,这个翅膀就可以煽动起来,断电之后它又回到原位。这个过程可以反复进行,而且翅膀煽动的频率可以通过电流频率来控制。

因为这个材料耐高温,它在多数环境条件下很稳定,所以它可以对其他很多环境进行侦查、拍照,解决人很难进入的场合。

同时,由于它所产生的力是自然界最强骨骼肌肉的100多倍,我们可以借助这个纤维作为人工肌肉,就连小孩也可以靠它很轻松地拎起上百公斤甚至更重的物体,这也可能会解决在很多应用场合下人们碰到的难题。

实际上这种纤维还有其他很多功能,比如我们可以把它做到可发热、可制冷,以轻松应对一些极端条件;比如说我们可把这种纤维做成手套,只要你戴上手套,就可以在墙壁上进行爬行,这意味着大家在电影上看到的蜘蛛侠是有可能实现的。

这种独特纤维也可在医学上开展重要应用,比如把蓝色的发光纤维做成毯子,裹在小孩身上,所发出的柔和光可治疗新生儿黄疸,而不需要把婴儿放在一个冷冰冰的箱子里,这既能起到更好的治疗作用,也不用把婴儿从母体身边分开。

大家可能会问,这类多功能的神奇纤维材料和器件什么时候可以买到?价格怎样?我想,对于这么一个产品和技术,未来大部分工薪阶层都可以接受;对于这个纤维的功能,实际上我们还在不断地探索和进行中。

随着科技的发展,在很多全新的领域都可以得到应用。比如说太空电梯,以后人类到太空去,不用坐火箭,而是直接达成一部电梯上去。对于这个电梯最重要的就是两根缆绳,这两根缆绳要足够轻和足够强,目前来看碳纳米管纤维材料是一个非常好的选择。

所以我们有理由期待,在不久的将来,这类纤维材料可能颠覆我们的生活方式,创造人类全新的未来!

谢谢大家。

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