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《世界科学》联合“澎湃新闻”平台，在上海市科学技术委员会资助下，共同策划“走近科学”栏目，对获得国家及上海市科技奖励的成果进行科普化报道。本文围绕2019年国家自然科学奖二等奖“碳纳米管复合纤维锂离子电池”展开，该奖项由复旦大学彭慧胜院士领衔的团队获得。
根据中国考古发现，我们5000多年前就开始使用高分子纤维材料，也就是大家所熟知的蚕丝，这是我们中华民族为人类作出的伟大贡献。把纤维材料做成织物标志着人类文明的进步，如今5000多年过去了，纤维除了能做成织物拥有防寒保暖的基本功能，它还能做成什么？或者说你还希望你的衣服拥有什么功能？出门不想带充电器？没关系，你的衣服就是一个移动的太阳能电池。
骑着车不方便拿手机怎么办？没关系，你的衣袖就是一个显示屏，能帮你导航。
聋哑人的沟通能力有限怎么办？没关系，一件衣服就能把脑电波采集下来，把想说的话实时显示在衣服上，从而能与普通人无障碍地交流，重新融入社会。
这件神奇的衣服甚至能够治病，帮你飞檐走壁，你相信吗？这样的场景听起来像一部科幻电影，但在科学家的努力下，这些情景已经或正在现实生活中逐渐上映。这件神奇的衣服就是智能织物，虽然外观上与常见的纺织物无异，却兼具发电、发光、变色、储能、传感、显示、计算、通信等功能，在可穿戴设备、物联网、人工智能等领域显示出广阔的应用前景。
纤维织物器件推动战略领域革命性发展
具有柔性、导电、高电化学活性的纤维电极是构建纤维电子器件的关键，纤维电极的合理选择有助于实现智能织物的多功能和高性能。一般来说，电子器件都有正极和负极，中间是活性材料，当通电的时候，正极和负极之间会形成电场。在我们生活中，电子器件通常是一个平面，两个平板之间的电场是很均匀的，只要把活性材料涂覆均匀就可以了。而在智能织物中，两根纤维电极之间产生的电场是不均匀的，因为它是一个弯曲的界面。此外，在确保电荷沿长纤维电池长度方向的传输效率以及形变下活性材料与高曲率导电纤维实现稳定相互作用等方面都存在挑战。因此，从平面结构到纤维结构，其电场分布、电荷传输和界面均发生明显变化，需要进行新的材料组成和结构设计。在选择材料时，我们通常会想到两大类导电纤维：一类是金属材料，另一类是高分子材料。对于金属材料，在光滑的金属表面涂覆活性层，负载量有限，连续弯折变形过程中容易发生碎裂导致活性材料脱落。可以通过在金属纤维上加工形成多级微结构、涂覆与刻蚀等方法来提高纤维电极比表面积和活性层载量，不过金属的质量比较重。对于高分子材料，可能有些人会觉得这个名词比较陌生，但它在我们生活中无处不在。我们常用的薄膜塑料袋就是高分子材料聚乙烯。乙烯是小分子，它有双键，你可以把小分子理解成一个小朋友，当小朋友把手打开，手牵着手，小分子就变成了大分子，形成一条链，所以我们把它叫作高分子链，这就是高分子材料。值得注意的是，乙烯是气体，“小朋友手牵手”变成高分子后，它就变成固体了。所以高分子材料不同于小分子，可以有非常多的变化，从化学反应到材料设计再到物理性能等。高分子材料应用十分广泛，大家经常看到的很多东西都是高分子材料构成的，并且我们的身体都是由高分子构成的，这非常有趣。高分子材料通常包括塑料、橡胶和纤维等，而高分子纤维已广泛应用于织物中。高分子纤维具有结构设计多样、化学稳定性好、高柔韧性和轻便等特点，但其导电性能通常不好，因此我们可以将其与导电性良好的其他材料，如碳纳米管协同构建复合材料。碳纳米管于1991年被人类首次发现，是一种具有特殊结构的一维材料，即由呈六边形排列的碳原子（每一个点就是一个碳原子）构成的管状结构，其径向尺寸为纳米级，具有良好的导电性。碳纳米管是一个非常有趣的材料，它的质量只有钢的1/10，但是它的强度是钢的20倍。如今我们想把人送到太空去，一般都是使用火箭。其实还有一种途径，有时出现在科幻小说里，就是“人造太空天梯”。后来也有科学家从理论上推测，可以造一部电梯把人类从地球送到太空中去。但技术上怎么做到？难在哪里？难的是要有足够长的缆绳连接地球和太空，即找到制造天梯的材料。也许大家会想到耳熟能详的钢丝，但是有一个最重要的参数叫自支撑长度。当钢丝长到54公里时，它就会自己断掉，所以这种材料必须能够克服自重，也就是要足够轻和足够强。根据目前掌握的信息，人们发现碳纳米管可以满足上述要求。
这里我们探讨的碳纳米管，典型直径在几个纳米，长度在几百微米，碳纳米管之间的相互作用虽然非常弱，但是在纳米尺度上，它的累积效应可以有效地把很小的碳纳米管连接成长纤维。在碳纳米管纤维中, 取向、有序的碳纳米管排列结构，可以更有效地将单根碳纳米管优异的物理性能扩展到宏观层面，如具有较高的比表面积、力学强度和柔韧性，可以耐受弯曲和拉伸，还具有较高的电导率，是一种较为理想的纤维电极材料。
智能织物商业化的重要瓶颈是缺少与之充分集成的供能系统。因为传统的电池或电容器多为二维刚性平面，质量重、体积大，不可穿戴。一维的纤维能源器件质量轻、柔性好、可集成、能编织，并且能在织物形变下保持电化性能稳定，能满足如今各种便携式电子设备的发展需要。过去人们普遍认为，纤维电池的内阻随长度增加而增大，会限制电池的高性能化。但后来科学家发现，在一定范围内，随着纤维电池长度的增加，其内阻逐渐降低并趋于稳定，呈现独特的双曲余切函数关系。这一发现为纤维电池的连续化制备和应用提供了可能性，经过不断地探索和工艺创新，科学家研制出了具有优异且稳定电化学性能的纤维锂离子电池。如今，这样的电池已经做成了产品，并能规模制备了，取得了从实验室层面到规模生产的突破。电池的能量密度达到128 Wh/kg，能够满足很多生产生活应用的需要。目前可以连续化制备米级的纤维锂离子电池，同时实现在一定长度范围内电池的容量随着长度增加线性增加，未来这样的纤维将会做得更细、更长、更柔软。
如果把纤维锂离子电池与无线充电装置结合起来，把手机揣在口袋里不用连线，手机就可以自己充电了。一件由纤维锂离子电池制成的衬衣所储存的电量可以把十几部智能手机充满。
此外，因为纤维有很大的比表面积和高孔隙率，所以它散热特别快，其升温几乎可以忽略，可以长期舒适地覆盖在人体皮肤上。即使做成衣物经过数百次洗涤以及在高温、低温、真空环境以及外力破坏（如一部分纤维被切断）等极端条件下，它依然可以稳定供电。
不过，当把电池穿在身上的时候，大家可能会担心它的安全性，例如现在的电池充电会发热，其中的有机液态电解质着火会燃烧。与传统的有机液态电解质相比，纤维锂离子电池所用的材料是高分子凝胶电解质（像果冻一样，甚至可以做成全固态），具有更好的安全性能。这种高分子凝胶电解质在纤维电池中的应用源于科学家对自然的效法：爬山虎与被缠绕的植物藤蔓“如胶似漆”，是因为爬山虎能分泌出一种具有良好浸润性的液体，渗透到两者接触表面的孔道结构中，随后液体中的单体发生聚合反应，将爬山虎和被缠绕的植物藤蔓粘在一起。这为解决“高分子凝胶电解质难以与纤维电极形成紧密稳定的接触界面，导致电池储能低”这一难题提供了很大的灵感。于是，研究团队设计了具有网络孔道和取向孔道的纤维电极，并设计单体溶液，使之渗入到纤维电极的孔道结构中。单体发生聚合反应后生成高分子凝胶电解质，从而与纤维电极形成紧密稳定的界面，实现了纤维锂离子电池的高安全性与高储能性能。这一研究成果于2024年4月24日以“基于高分子凝胶电解质的高性能纤维电池”为题发表于《自然》（Nature）杂志。在将纤维做成电池可以充电后，科学家又开始奇思妙想，为什么不充分利用最丰富的能源——太阳能——进行自供电呢？既清洁，又方便。如今的太阳能电池板还比较笨重，如果太阳能电池做成纤维那就会轻便很多。其实这很简单，只要把光电活性材料和导电的纤维结合起来就可以了，光电活性材料通过吸收光把光能转化成电能，这是太阳能电池的基本原理。如下图中所示，纤维太阳能电池通常采用两种结构：同轴结构和缠绕结构。对于同轴结构纤维电池，在一根高曲率的纤维电极表面沉积厚度均匀的多层组分，并且在形变过程中保持多个界面之间的稳定性，这对制备工艺提出了很高的要求；缠绕结构的纤维电池是将外层电极转换为纤维的形态，活性材料可以分配在两根纤维电极上，降低了多层活性材料制备的工艺难度，是目前纤维电池采用较广泛的一种结构。
纤维太阳能电池的同轴结构和缠绕结构
表征太阳能电池一个最重要的参数叫光电转化效率，即光有百分之多少转化成电，现在纤维太阳能电池的最高光电转换效率已经超过12%。纤维太阳能电池要做成衣服的话，在使用过程中不可避免地会发生弯折，而在弯折过程中它的光电转化效率可以保持不变（即使在弯折1000次以后）。如果衣服80%用纤维太阳能电池编织，每天产生的电可以把36部手机充满，能够满足大部分的生活需求。当然，它还可以为智能手环、心率监测仪、血氧仪等可穿戴电子设备连续有效地供电，实现自供电自运行。这不光引起了工业界的兴趣，时装界也特别感兴趣，他们认为“智能+时尚”会是可穿戴技术未来发展的趋势。也许5～10年后这样可发电的太阳能电池衣服就可以出现在我们的生活中。
如果把每一根纤维都做成传感器的话，那么我们就可以随时随地享受体检服务。例如，通过活性材料设计，让每一根纤维对一个生理指标进行检测。当你运动出汗时，穿在身上的衣服就可以对汗液进行化学成分的分析，从而能实时跟踪身体的健康状态。当纤维传感器做得足够柔软的时候，还可以像毛发一样植入身体，甚至是脑部，能够检测出很多生理指标。这样的纤维传感器可以用注射器植入身体，很方便，也没有任何的创伤，当然还必须通过从细胞层面到组织层面的生物安全性验证。如果把不同功能的纤维传感器结合起来形成一束大的纤维在末端进行传感，就可以实现动态全方位监测。举例来说，目前葡萄糖检测做得最好的是可以贴在皮肤上进行检测，但两周时间是它的使用极限。未来植入纤维传感器可以使用几个月甚至更长时间，出汗、洗澡等都不会影响，通过这种完全不影响生活的方式就可以实现血糖的常态化监测。
变色龙为什么能变色？事实上，变色龙的皮肤有很多微结构，这些微结构在发生刺激时会进行调整，改变皮肤表面的微结构，从而显示不同的颜色。实际上有很多高分子材料会变色，如聚丁二炔由于其独特的主链结构，在外界给予热刺激时它的构象会发生变化，从而带来颜色的变化。可以看出，通过不同的材料结构设计，我们可以让纤维导电，也可以让它变色，甚至还可以让它发光。如在纤维电极表面涂覆一层能够发光的高分子活性材料，再在外面缠绕一层取向的透明碳纳米管薄膜作为另一个电极，就能得到发光纤维。发光的强度和颜色都可以通过结构设计来调节。
例如，刚出生的婴儿如果得了黄疸，一般会放在一个能发蓝光的箱子里进行治疗。如果将能发蓝光的纤维做成毛毯，裹在婴儿身上就可以进行治疗了。既方便，又安全，对母亲也不会造成与宝宝分离的心理伤害。当然，这样的发光纤维还可以治疗皮肤病，发光纤维未来也许能在很多与光治疗相关的疾病中大展身手。
随着物联网、大数据、5G、虚拟现实等新兴领域快速发展，以及各种电子设备朝着微型化和高度集成化的方向发展，可贴合皮肤、适应复杂形变的新型柔性可穿戴显示器的应用前景将越来越广阔。例如，智能手表已经成为人们在健身跑步时的标配，但那小小的一块屏幕实在是让人难以看清上面的文字。现在，科学家已经研制出了可以直接在衣服上显示的电子屏，它们可以随着人的动作和环境的变化而延展、扭曲，却不会对内容的显示造成影响，这样的显示屏将会引领可穿戴电子设备走向新时代。但是，要创制这样的显示器需要克服很多技术难题，领域内的主流研究是将焦点放在柔性薄膜显示屏，但也有科学家直接指向了做衣服的纤维本身！就是说把纤维这种一维材料变成具有电子显示功能的器件，让可穿戴显示器真正做到像衣服一样穿在身上，轻薄、透气，可贴合在任何不规则的基底上。织物显示器件结构示意图
最早的显示器件是阴极射线管显示，它广泛用于电视和之后的计算机系统。后来显示器件做得越来越薄，就变成了显示屏，如液晶显示、有机发光二极管。随着技术的发展，显示屏如今已经可以弯曲，用在了可折叠手机上，但是这种折叠只是在一个方向上的，也就是说这种可折叠的柔性是相对的。如果想要做成衣物，必须要保证显示屏足够柔软，且任意形变下都不会影响显示的功能。显示器件经过多年的发展，经历了从厚到薄，从硬到软，从三维块体到二维薄膜的转变，而如今，科学家正在探索其结构从二维向一维的转变。发光纤维是线状光源，将发光纤维编入织物中只能显示特定的编织图案，无法在织物上实现如同手机、电脑一样的像素点显示，显示信息有限将会限制其在可穿戴设备上的应用。我们知道，织物是由经线和纬线编织而成的。织物的经纬交织结构与平面显示器中的像素阵列类似，这启发了科学家在经纬交织点处构建微型发光器件的想法。在编织过程中，经线和纬线会有一个交织点。两根纤维在编织过程中产生的张力会让它们的交织点变得紧密，如果我们在纤维表面涂上发光的活性材料，通电时交织点的位置就会发光，这样就实现了一个像素点的显示。织物通常会有很多交织点，这些交织点就能形成可显示的屏幕。其中，一个非常重要的参数是分辨率，在织物显示屏中，分辨率的调控可以通过交织点来控制——编织得紧密一点，分辨率就高；编织得稀疏一点，分辨率就低。当穿上这些纤维编织的衣物时，你就可以在衣服上看电视和电影了，是不是非常简单和方便？再来看一些实用有趣的应用场景。例如，骑着摩托车送外卖的小哥，他不可能对所有的路线都很熟悉，如果拿着手机进行导航十分不安全，这时我们可以在衣服的袖子上设计一个可导航的显示屏，如果我们再把打电话和发信息的功能集成到显示屏上，那么未来手机的形态会发生根本的变化。
再比如，我们去国外旅游，穿着一件能帮你翻译语言的衣服真的是太方便了，特别是对于一些小语种的国家。你说中文它可以任意切换成世界上所有的语言，这样的话，也许我们真的不用学习英语了，不用学习任何语言都可以实现实时有效的沟通。而另外一个更能造福社会的例子是：我们生活中的一些特殊人群，如聋哑人不能说话，如果我们为他量身定制一件衣服，通过采集脑电波把他想说的话显示在衣服上，他立刻就能与社会正常、实时地交流了。而全世界这部分人群还不少，如果从根本上解决他们的问题，那么他们就能更加顺利地找到工作，更深入地融入社会。当然，这些人机交互的功能还需要计算、传感、通信、供能等系统的协同运转才能实现。
上述提到的种种应用都让我们看到科技将如何改变人类生活。科学家创建出的织物显示系统颠覆了人们对传统显示器件和纺织品的认知，被评述为“代表了智能织物长期研究和世界电子织物领域一个卓越的里程碑”。这将有力地推动产业变革，当然，要想进一步商业化和产业化，成为市场上能买到的商品，除了在技术上需要克服攻关以外，成本也是必须要考虑的问题。只有降低成本，才能实现大规模的生产，而其中，生产线的建立很重要。目前纤维锂离子电池生产线已经建立，相关产品已开始获得应用，但纤维太阳能电池可能还需要5～10年的时间。未来的智能纤维材料与器件，也许还可以实现更多的功能，需要科学家和工程师的进一步创新，推动人类生活与社会的进步。
-本文作者梁偲是上海市科学学研究所副研究员，主要从事科技传播、科学普及、战略规划、技术预见方面的研究；彭慧胜是中国科学院院士，复旦大学特聘教授，主要从事高分子纤维器件的研究，在《自然》（Nature）等期刊上发表了380多篇论文，出版了4部专著/教材，获授权国内外发明专利100项，其中47项实现了转移转化-
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