未来衣服能发电？还能给手机充电？复旦教授带你从科幻走向现实
[编者按]
2023年5月27日是复旦大学118周年校庆。”庆祝学校的各种活动都以促进科学研究为中心.”自1954年时任复旦大学校长的陈望道在校庆前夕提出这一思想以来，在校庆期间举行科学报告已成为复旦大学的重要学术传统之一。
延续学术传统，百年弦歌不绝。从5月9日起，50多位来自文、社科、工、医各学科的复旦名师将陆续进行学术讲座。
第五场“2023香会庆典系列学术报告”由复旦大学高分子科学系主任彭慧生主讲，主题为“未来的衣服可以发电——高分子纤维器件的探索与思考”。
彭惠生教授。本文图片为张怀义和张沁文。
5000多年前，人类就开始使用高分子纤维材料作为织物。在过去的5000年里，纤维的功能还停留在御寒、保暖、舒适和美观。在信息社会，能否赋予纤维材料更多的功能？
从聚合物纤维材料到聚合物纤维器件，彭惠生介绍了团队在纤维太阳能电池、纤维锂离子电池、织物显示器件等技术上的探索。织物可以发光、变色，甚至有助于了解疾病的机理。彭慧生从器件的原理和应用出发，带领观众从科幻走向现实。
聚合物纤维的想象与渗透研究
电子设备是现代信息社会发展的驱动力。如何让它们足够小，足够薄？带着问题，15年前，彭惠生一头扎进了高分子光纤器件的研究领域。
要获得光纤器件，首先必须获得光纤材料。由金属原子构成的材料具有独特的电学、光学和电化学性质。为此，该团队开发了一种金属骨架聚合物，打破了以前没有报道过所有以金属原子为骨架链的聚合物的局面，为后续团队构建纤维电极材料奠定了物质基础。进一步，在复合材料层面，团队发现通过干法纺丝制备了聚合物/取向碳纳米管复合纤维，聚酰亚胺聚合物可以可逆有效地存储锂，获得新的电化学活性材料体系。
通过15年的努力，团队还建立了聚合物凝胶电解质数据库，可以根据不同类型的光纤器件进行选择。
活动地点
编织未来的服装
那么，未来衣服如何发电呢？依靠纤维太阳能电池。
光纤器件领域面临三大难题:如何解决两个光纤电极之间电场分布不均匀的问题，如何快速有效地沿长光纤器件传输电荷，如何实现活性材料与高曲率导电纤维之间的稳定相互作用。
为了解决上述问题，团队制备了多尺度取向结构的纤维电极，然后通过原位聚合构建纤维器件。定向的纳米和微米结构赋予了优异的可逆形变性能和独特的包裹限制效应，保证了活性材料和导电基底界面电荷的高效转移。
团队还发现，纤维工作电极表面纳米管的放射状结构有效保证了染料分子的有效渗透，实现了更高的接触面积，有利于高效的电荷分离和传输。通过设计聚合物电解质，团队进一步解决了纤维太阳能电池的安全问题。
到目前为止，这种纤维太阳能电池的效率在室外可以达到12%，在室内可以达到25%，可以提高室内光能的利用效率。此外，纤维太阳能电池独特的一维结构保证了其光电转换效率与入射光角度无关。这意味着在运动时，即使衣服不断变形，它仍然可以为电子产品提供稳定的电力。“现在建成的太阳能电池织物，每天可以给36部手机充满电。”
进一步构建纤维锂离子电池，可以有效储存纤维太阳能电池产生的电力，可以更有效地满足日常生活的需求。对于这些新型纤维电池，当电子产品被水浸泡、扭曲和刺破时，该织物仍然可以有效地充电。彭慧生展示了团队的测试实验，引发观众惊叹。至于舒适性，“即使在上海最热的夏天，电池温度上升两三度，也是人体可以接受的。”
除了发电之外，通过可纺碳纳米管阵列“牵引”连续纤维，然后通过化学反应使单体在碳纳米管上发生反应，在紫外光下发生拓扑化学聚合，通电后可以快速变色。在此基础上，还可以通过引入发光导电聚合物体系来实现发光纤维。
“目前基本上红、橙、黄、绿、蓝、紫都能做到。”这种发蓝光的纤维可以制成毯子，包裹在婴儿身上，治疗新生儿黄疸，而无需将婴儿与母亲分开。
这种光纤装置具有高度灵活性和生物安全性，可以通过注射植入肿瘤部位，用于原位监测甚至治疗，还可以实时检测人体葡萄糖浓度。“你几乎感觉不到它的存在，洗澡也无所谓。我们提出一个口号:把医院带回家。”目前，这种光纤装置的安全性和长效性已经通过实验得到了验证。“当它进入人体后，可以有效检测人体几个月的生理指标。”
用监视器编织衣服
在彭惠生看来，要整合应用光纤器件，还缺少一个重要的工具——显示器。如何在直径只有几十到几百微米的软纤维上构建可编程发光点阵列，是困扰团队乃至整个领域的一大难题。
团队的出发点是将所有的电子元件纤维化，打造一个“织物系统”，通过一个柔软的织物实现所有需要的功能。
聋哑人不会说话怎么办？他们可以收集脑电波信号，并显示在衣服上，实现与他人的实时交流。可以随时控制的显示开关还可以保护个人隐私，从而提高聋人的生活质量。骑车不能看手机，导航系统可以织到袖子里。“某种程度上，也许你的手机会消失或者变形。”
在彭慧生看来，光纤电子器件已经在可穿戴设备、新能源、人工智能、大健康、空检测等广泛领域展现出巨大的应用前景。
当然，要实现设备的大规模应用还有很多挑战。未来迫切需要合成用于光纤器件的功能材料，而目前用于光纤器件的高效集成方法很少。这些问题迫在眉睫，也是彭慧生和他的团队想要“进军”的方向。
责任编辑：韩晓蓉图片编辑：陈飞燕