導(dǎo)讀

近日，美國辛辛那提大學(xué)的工程師們與賴特-帕特森空軍基地合作利用碳納米管制造出一種特殊的紡線，它可以編織成能為智能手機(jī)充電的衣服。

背景

看過電影《鋼鐵俠》的朋友，對于主人公托尼·史塔克所穿的那套鋼鐵盔甲一定不會(huì)陌生。這套可自由操控的鋼鐵盔甲，賦予托尼·史塔克許多超凡的能力，讓人羨慕不已。然而，這套鋼鐵盔甲的能量來源卻是位于鋼鐵俠胸口的超級(jí)供電裝置（微型核反應(yīng)堆）。

（圖片來源：維基百科）

許多人都會(huì)夢想穿上鋼鐵俠般的盔甲，可是要在胸口部位裝上一個(gè)微型核反應(yīng)堆，也許會(huì)讓大家望而生畏，幾乎沒人愿意冒這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。但是，一套類似鋼鐵俠所穿的那種可隨時(shí)充電的智能衣服，并不是只能出現(xiàn)在科幻小說中，科學(xué)家們正努力使之成為現(xiàn)實(shí)。下面，帶大家回顧一下筆者之前介紹過的一些經(jīng)典研究案例：

1）瑞典科學(xué)家們開發(fā)出一種可以將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的壓電織物，織物承受的負(fù)載越大，就會(huì)變得越濕潤，產(chǎn)生的電力也變得越多。目前，這種織物產(chǎn)生的電力足以點(diǎn)亮一盞LED燈、發(fā)送無線電信號(hào)或者驅(qū)動(dòng)小型電氣單元，例如口袋計(jì)算機(jī)或者數(shù)字手表。

（圖片來源：Johan Bodell / 查爾姆斯理工大學(xué)）

2）美國喬治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種纖維織物，可同時(shí)從陽光和運(yùn)動(dòng)中得到能量，為可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)、智能硬件等電子產(chǎn)品供電，而且成本低廉，可規(guī)模化生產(chǎn)。

（圖片來源：喬治亞理工學(xué)院）

3）美國馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校研究人員發(fā)明了一種新方式，將透氣、柔韌、不含金屬的電極集成到織物和成品衣物上。這樣制成的“智能衣服”不僅觸感很好，而且可以將人體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，為小型電子設(shè)備供電。

（圖片來源：馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校）

4）英國曼徹斯特大學(xué)開發(fā)出一種固態(tài)的柔性超級(jí)電容設(shè)備。通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)，采用導(dǎo)電的石墨烯氧化物油墨，可以直接將它打印在紡織品例如棉織物上。

（圖片來源于：曼徹斯特大學(xué)）

5）美國得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校（UTD）和韓國漢陽大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出最新的高科技紗線“Twistron”，它可以在自身被拉伸或者扭轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電能。這種紗線由碳納米管構(gòu)成，本質(zhì)上是一種超級(jí)電容。

（圖片來源：UTD）

6）新加坡南洋理工大學(xué)設(shè)計(jì)出一種織物般的電源，它經(jīng)過剪切、折疊或者拉伸后并不會(huì)喪失功能。

（圖片來源：新加坡南洋理工大學(xué)）

創(chuàng)新

今天，讓我們再來看一種可以為電子產(chǎn)品供電的智能衣服。近日，美國辛辛那提大學(xué)（University of Cincinnati ）的工程師們與賴特-帕特森空軍基地合作制造出一種可以為手機(jī)充電的衣服。這套衣服的實(shí)現(xiàn)要?dú)w功于碳納米管的獨(dú)特性質(zhì)：巨大的表面積、高強(qiáng)度、導(dǎo)電、耐熱。

（圖片來源：維基百科）

辛辛那提大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院與美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室之間有一個(gè)為期五年的協(xié)議，合作開展改善軍事技術(shù)應(yīng)用的研究。辛辛那提大學(xué)教授 Vesselin Shanov 和教授 Mark Schulz 以及他們的研究伙伴共同領(lǐng)導(dǎo)了辛辛那提大學(xué)納米世界實(shí)驗(yàn)室（Nanoworld Laboratories ）。他們利用電氣、化學(xué)和機(jī)械工程方面的專業(yè)知識(shí)，制造出為電子設(shè)備供電的“智能”材料。

Shanov 說：“主要的挑戰(zhàn)就是轉(zhuǎn)化這些美好的特性，從而利用它們的強(qiáng)度、導(dǎo)電性以及耐熱性。”

Vesselin Shanov 教授手持納米世界實(shí)驗(yàn)室中生長的碳納米管纖維樣本。

（圖片來源：辛辛那提大學(xué)）

辛辛那提大學(xué)納米實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)了30位研究生和大學(xué)生的集體研究。其中之一的論文合著者、辛辛那提大學(xué)研究員 Sathya Narayan Kanakaraj 試驗(yàn)了許多方法來改善干紡碳納米管纖維的抗拉強(qiáng)度。他的研究成果于六月份發(fā)表于《材料研究快報(bào)（Materials Research Success）》期刊。

過去幾年，研究生 Mark Haase 一直在賴特-帕特森空軍基地研究碳納米管的應(yīng)用。通過合作，辛辛那提大學(xué)的學(xué)生們采用空軍實(shí)驗(yàn)室的復(fù)雜設(shè)備，包括X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，分析樣本。Haase 也一直在采用空軍的設(shè)備幫助同學(xué)們的項(xiàng)目。

技術(shù)

Schulz 表示，碳基產(chǎn)品的制造正處于復(fù)興之際。碳納米管將取代汽車和飛機(jī)中的銅線，減少重量并提升燃料效率。碳可用于過濾飲用水，并制成新型生物識(shí)別傳感器，告訴我們關(guān)于生命和身體的更多信息。

碳將取代滌綸和其他合成纖維。因?yàn)樘技{米管是地球上發(fā)現(xiàn)的最黑的物體，能吸收99.9%的可見光，所以你也許會(huì)說碳是“新黑”（黑色在時(shí)尚圈是最經(jīng)典的顏色，所以某一年流行什么色，這個(gè)顏色就是“新黑”。），也就是說，“碳”突然變得非常流行。

Schulz 表示：“過去，金屬是制造業(yè)的主要產(chǎn)品。但是，我認(rèn)為碳將在許多應(yīng)用中取代金屬。”他也表示：“未來將是碳的新時(shí)代，一場碳的革新。”

辛辛那提大學(xué)的研究人員通過“化學(xué)氣相淀積”工藝，在加熱的真空室中，從四分之一尺寸的硅晶圓上“生長”出納米管。

工程師們在紫色硅晶圓上生長碳納米管

（圖片來源：辛辛那提大學(xué)）

Haase 表示：“每個(gè)粒子都有一個(gè)成核點(diǎn)。通俗點(diǎn)說，我們稱之為種子。含碳?xì)怏w被引入到反應(yīng)器中。當(dāng)碳?xì)怏w與‘種子’發(fā)生反應(yīng)時(shí)，它會(huì)分解并在表面重新形成。我們讓它生長到想要的尺寸。”

研究人員幾乎采用了任何含碳的物質(zhì)，從乙醇到甲烷。Haase 表示：“我們記得有一個(gè)小組用女童軍餅干展示了他們的成果。只要它含碳，你就可以將它轉(zhuǎn)化為納米管。”

2007年，辛辛那提大學(xué)納米世界實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了世界記錄，他們生長出了可拉伸接近2厘米的碳納米管，是那時(shí)實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出的最長的碳納米管陣列。如今，實(shí)驗(yàn)室可以創(chuàng)造出的納米管要比它長許多倍。

辛辛那提大學(xué)的研究人員通過實(shí)驗(yàn)室中的工業(yè)線軸拉出這種微小的纖維方格。突然，這種微型碳薄片變成了一種紡線，類似于蜘蛛的絲，可以被編進(jìn)織物中。

碳納米管纖維變成高強(qiáng)度的導(dǎo)線。

（圖片來源：辛辛那提大學(xué)）

像蜘蛛絲一樣，這種碳納米管纖維可以經(jīng)受得起拉伸。

（圖片來源：辛辛那提大學(xué)）

利用實(shí)驗(yàn)中定制的紡紗機(jī)將碳納米管纖維紡織成細(xì)線。

（圖片來源：辛辛那提大學(xué)）

空軍研究實(shí)驗(yàn)室材料與制造局的領(lǐng)頭人 Benji Maruyama 稱，之前大規(guī)模量產(chǎn)仍是碳納米管技術(shù)有待解決的重大問題之一。Maruyama 表示：“為了擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，仍然有許多工作要做。從硅盤上剝落碳納米管纖維，適合實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究，卻不適合制造飛機(jī)機(jī)翼或飛行服。”他說：“唯一阻礙我們的事情，就是大規(guī)模制造碳納米管。”

Maruyama 正在嘗試開展一系列實(shí)驗(yàn)來解決這個(gè)問題，其中它用到了一種自動(dòng)化的研究機(jī)器人“ARES”。這種機(jī)器人設(shè)計(jì)并開展碳納米管實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)果，然后采用數(shù)據(jù)和人工智能定義下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。在相同的時(shí)間內(nèi)，通過這種方式開展的實(shí)驗(yàn)數(shù)量，是人類研究人員開展的實(shí)驗(yàn)數(shù)量的100倍。

價(jià)值

Shanov 表示：“它酷似織物。我們可以將像機(jī)器線一樣組裝它們，將它們應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如追蹤水中重金屬的傳感器或者能量存儲(chǔ)設(shè)備，包括超級(jí)電容和電池。”

（圖片來源：辛辛那提大學(xué)）

對于軍事來說，它可以取代笨重的電池，而這些笨重的電池可為組成士兵裝備的越來越多的電子設(shè)備：燈、夜視和通訊設(shè)備供電。

Haase 表示：“因?yàn)樗麄償y帶的三分之一的重量就是為所有設(shè)備供電的電池。所以，即使我們可以從中減少一些重量，將非常有利于作戰(zhàn)中的士兵。”

醫(yī)療研究人員也在研究，碳納米管是如何幫助釋放一定劑量的靶向藥物。

Haase 表示：“你可以在外部添加一個(gè)蛋白質(zhì)分子。細(xì)胞將讀出它并表示，‘我想吃它’。所以我們可以通過釋放藥物來支持健康細(xì)胞，修復(fù)病態(tài)細(xì)胞，甚至殺死癌細(xì)胞。” 但是首先，研究人員要確保碳納米管是無毒的。

Haase 表示：“這就是為什么我們進(jìn)展得非常慢。研究發(fā)現(xiàn)，類似于石棉，較多地或者急性地接觸碳納米管會(huì)引起肺部損傷。我們最不想干的事情，就是治愈了一種癌癥，然后發(fā)現(xiàn)它讓你得了另外一種。”

研究的初步成果讓人感到非常有前景。雖然目前碳納米管的成本還是很高，但是 Haase 表示：“我們一直在與更加關(guān)注性能而不是成本的客戶一起工作。但是一旦我們可以完美地合成碳納米管，產(chǎn)量就會(huì)大幅上升，成本也就會(huì)相應(yīng)地下降。然后，我們將看到碳納米管應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。”

就目前而言，辛辛那提大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室在一次研究中制造出了50碼的碳納米管線。Haase 表示：“大多數(shù)大規(guī)模的紡織機(jī)器都需要幾英里的線，我們將會(huì)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。”

Maruyama 表示：“碳納米管的一大優(yōu)勢，就是不存在材料的短缺。它只需要金屬催化劑（我們采用了鐵和鎳）和碳。這些并不是稀有材料。所以，當(dāng)我們談及每年制造數(shù)百萬噸的碳納米管，我們并不是在制造數(shù)百萬噸的稀有材料。”

Shanov 表示，最終目標(biāo)是將辛辛那提大學(xué)的學(xué)術(shù)研究轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的方案。他說：“探索不同應(yīng)用的學(xué)術(shù)研究對于我們來說是奢侈的。它們并不是全部可以上市，但是即使有10%可以上市，也是巨大的成功。”