在只有頭發(fā)絲十萬分之一的纖維上實現(xiàn)既發(fā)電又儲能，還能把它織成衣服穿上身?
近日，原創(chuàng)性研究領(lǐng)域權(quán)威期刊《應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)的封面文章刊登了復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝教授課題組的最新研究成果。
2006年，彭慧勝從美國博士畢業(yè)后，加入了美國能源部Los Alamos國家實驗室，兩年后，他從美國回到復(fù)旦大學(xué)，繼續(xù)從事碳納米管相關(guān)研究。不過研究的著眼點從材料結(jié)構(gòu)本身轉(zhuǎn)移到了利用它的電性能上。
據(jù)彭慧勝教授介紹，“納米最直觀的概念就是頭發(fā)絲的十萬分之一，如果用一納米直徑的小球堆積起一毫米直徑的小球，它的表面積可以提高10的5次方”。這是一種“由小變大”的方法，道理跟石油化工中的催化作用相同，催化劑的表面積越大，效果就越好。彭慧勝將這一設(shè)計運用到了碳納米管的光電轉(zhuǎn)化中。
“美國用這個材料做太空電梯”
因為曾在美國能源部Los Alamos國家實驗室工作，彭慧勝對碳纖維管材料的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域非常熟悉，“這個材料有什么用?我舉一個例子，第一代防彈衣是鋼板做的，一件衣服重20 多公斤。1970年代杜邦公司研制出科夫拉纖維材料(Kevlar)，張力是鋼的5倍，而第三代的防彈衣就是由碳納米管纖維來做的”。
彭慧勝課題組的仰志斌同學(xué)做了現(xiàn)場演示，用一根像蜘蛛網(wǎng)一樣肉眼幾乎看不見的碳納米管纖維絲，吊起了一枝圓珠筆。仰志斌告訴在場記者，“要吊起兩噸重的汽車，用直徑5毫米的碳納米管纖維就夠了”。
科幻小說家劉慈欣的“地球往事三部曲”系列《三體Ⅰ》中，人們能通過太空電梯穿梭地球上空，有讀者評論說這是在“挑戰(zhàn)讀者想象力的極限”。但據(jù)2012年8月29日英國《每日郵報》的報道，美國加利福尼亞州的電梯港集團公司表示，這一想法能在8年內(nèi)成為現(xiàn)實。
“美國就是用這個材料做太空電梯。”彭慧勝介紹說，碳納米管纖維最大的特點是很輕、很強韌。
像頭發(fā)絲一樣柔軟的太陽能新電池
負責(zé)《應(yīng)用化學(xué)》審稿的專家們認(rèn)為，彭慧勝課題組用一個“非常簡單和低成本的方法”，在世界范圍內(nèi)“首次在一根纖維上同時實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和儲能”，大大提高了太陽能的利用效率，“對全纖維狀能源系統(tǒng)的開發(fā)，邁出了關(guān)鍵一步”。
基于納米曲度的設(shè)計，就像用許多小球堆積成一個大球，“表面積由小變大，有利于電荷的快速傳播，從而大大增強了材料的導(dǎo)電性能”，而且，由于碳納米管纖維具有良好的柔性，它將打破傳統(tǒng)太陽能電池一成不變的“平面結(jié)構(gòu)”。
根據(jù)實驗結(jié)果，新研制的太陽能電池最高光電轉(zhuǎn)化效率超過9%，但是白天發(fā)電，晚上怎么辦呢?“我們就在想能不能把發(fā)電和儲能集成起來，想用的時候用它，不想用就放到那里，把剩下的儲存下來。”于是，利用同一纖維材料，彭教授課題組構(gòu)建出微型線狀超級電容器，成功地實現(xiàn)了這一設(shè)想。
此外，柔軟的纖維電池還具有可編織性。彭慧勝告訴記者，“最近我們做的一項研究就是把太陽能電池織成衣服。希望在以后，普通的衣服不僅能防彈，還可以既發(fā)電又儲能”。
彭慧勝表示，碳納米管在能源方面的開發(fā)是走在前面的，但放大生產(chǎn)、大規(guī)模制備目前仍然有一定難度。“因為剛剛起步，通過研究，應(yīng)該可以一一解決這些問題”。他說他也不知道多少年后才能方便地用上由這些材料制成的電子設(shè)備，但新材料是改變整個社會非常重要的原動力，而碳納米管是一個非常有趣的材料， “它只是一個開始，開辟了一個新的發(fā)展方向，而且這條路是可以走通的”。
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