相辉校庆系列学术报告:未来衣服能发电?复旦教授带你从科幻走向现实!

作者:沈星月、赵天润摄影:张怀艺、张钦文 视频: 来源:融媒体中心发布时间:2023-05-13

5000多年前,人类就开始使用高分子纤维材料作为织物,5000年过去,纤维的功能还停留在防寒保暖、舒适美观上,在信息社会中,我们是否可以赋予纤维材料更多的功能?

5月13日上午,庆祝建校118周年相辉校庆系列第五场学术报告会在相辉堂南堂举行,复旦大学高分子科学系主任彭慧胜带来题为“未来衣服能发电——高分子纤维器件的探索与思考”的讲座,高分子科学系副系主任杨武利主持报告会。

从高分子纤维材料到高分子纤维器件,彭慧胜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。织物能发光、变色、甚至可以帮助理解疾病的机制,从器件的原理到应用,彭慧胜带领听众从科幻走向现实。

一个畅想,扎进高分子纤维研究

电子器件是现代信息化社会发展的源动力,从三维块体向二维薄膜进行演化,电子器件逐步朝着微型化、柔性化、集成化方向发展。如何做得足够小、足够薄?带着问题,15年前,彭慧胜一头钻进了高分子纤维器件研究领域。

要获得纤维器件,首先要得到纤维材料。金属原子构成的材料,具有独特的电学、光学和电化学性能。为此,团队研发出金属主链高分子,打破此前未见报道过的全部以金属原子作为主链的高分子的局面,为后续团队构建纤维电极材料奠定了材料基础。进一步,在复合材料层面,团队发现干法纺丝制备高分子/取向碳纳米管复合纤维,并发现聚酰亚胺类高分子可以可逆和有效储锂,获得新型电化学活性材料体系。

通过15年的努力,团队还建立起高分子凝胶电解质的数据库,可根据不同类型纤维器件进行选择。

“织”一件未来的衣服

那么,未来的衣服如何发电?所依靠的是纤维太阳能电池

纤维器件领域面临着如何解决两根纤维电极之间电场分布不均匀、电荷沿很长纤维器件如何快速有效传输以及活性材料和高曲率导电纤维如何实现稳定相互作用的三大问题。

为解决上述问题,团队制备具有多尺度取向结构纤维电极,再通过原位聚合构建纤维器件。而通过取向纳米和微米结构赋予优异的可逆变形性能和独特的包缠限域效应,确保了电荷在活性材料/导电基底界面的高效传输

对于纤维太阳能电池,电荷的有效传输,还需要两根纤维电极之间的界面足够稳定,在一根导电纤维上涂覆活性材料制备工作电极,并保证另一根纤维对电极的高度柔软,两根纤维电极通过缠绕组装,形成稳定界面。

团队还发现,纤维工作电极表面纳米管的辐射状结构,有效保证了染料分子的有效渗透,实现更高的接触面积,有利于电荷高效分离与传输。通过设计高分子电解质,团队进一步解决了纤维太阳能电池的安全性问题

目前为止,这种纤维太阳能电池效率在室外可达到12%,室内最高为25%,能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对入射光角度无依赖性。这意味着,运动时,即使衣服不断变形,依旧可为电子产品稳定供电。“现在构建的太阳能电池织物,每天的发电量可以把36部手机充满电。”

进一步构建纤维锂离子电池,把纤维太阳能电池产生的电有效存储起来,更加有效满足日常生活需求。对于这些新型纤维电池,在浸水、扭干、扎破时,织物依旧可以有效地给电子产品充电,彭慧胜向大家展示了团队的测试实验,这引起台下观众的惊叹。至于舒适度,“即使是在上海最热的夏天,电池温度升高也就是两三度,是人体能够接受的范围”。

除了发电,通过可纺的碳纳米管阵列“拉”出连续的纤维,再通过化学反应将单体反应到碳纳米管上,在紫外光照下发生拓扑化学聚合,得到聚丁二炔和取向碳纳米管复合的纤维,在通电后可以快速改变颜色。在此基础上,引入发光的导电高分子体系,还可以实现发光纤维。

 “目前,基本上红橙黄绿青蓝紫全能做到。”把发蓝光的纤维做成毯子,裹在婴儿身上可治疗新生儿黄疸,且不用将婴儿与母亲分开

高度的柔软性和生物安全性,通过注射方法把纤维器件植入到肿瘤部位,可以进行原位监测甚至治疗,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,洗澡也没关系,我们提出一个口号:把医院带回家”。目前这种纤维器件的安全性和长期性都得到了实验验证,“进入体内,能够实现几个月对人体生理指标的有效检测。”

给衣服“织”上显示器

在彭慧胜看来,要让纤维器件集成与应用,还缺乏一个重要的工具——显示器。如何在柔软且直径仅为几十至几百微米的纤维上构建可程序化控制的发光点阵列,是困扰团队甚至整个领域的一大难题。

受织物编织的启发,团队突破经典显示器件的叠层结构,在纤维经纬交织点构建微型发光器件,即发光像素点,将显示器件与织物有效融合。利用工业化编织设备,团队目前已实现长6米、宽0.25米、约含50万个“像素点”的显示织物,能初步满足部分实际应用的分辨率需求,且在100次工业标准洗涤强度,即500次家庭洗衣机洗涤下,仍具有稳定性能。

团队的出发点是将所有电子元件纤维化,打造“织物系统”,通过一块柔软的织物,来实现所有需要的功能。

聋哑人不能说话怎么办,可以把脑电波信号采集后显示在衣服上,实现跟他人的实时沟通。随时可控的显示开关,又能保护个人隐私,从而提高聋哑人的生活质量。骑车无法看手机,导航系统可以编织进衣袖,“某种程度上,说不定手机会消失或改变形态。

在彭慧胜看来,纤维电子器件在可穿戴设备、新能源、人工智能、大健康、空间探测等广泛领域显示了巨大的应用前景。

当然,要实现器件的规模化应用,还面临着诸多挑战,未来,亟需针对纤维器件合成功能材料,纤维器件的高效集成方法目前也几乎没有,这些迫在眉睫问题,也是彭慧胜和团队所要“进军”的方向

主讲人介绍

彭慧胜

博士生导师

复旦大学高分子科学系主任

国家杰出青年基金获得者、国家有突出贡献中青年专家、国家重点研发计划首席科学家、科睿唯安全球高被引科学家。主要在高分子纤维器件领域开展研究工作,创制了多尺度螺旋复合纤维,揭示了电荷在高曲率纤维表界面快速分离与传输的机制,提出了纤维电子器件的设计思想,赋予纤维发电、储能等全新功能,提出了高分子纤维电子新方向。曾获2019年国家自然科学二等奖、2022年德国跨界创新基金会科学突破奖,研究成果入选2021年度中国科学十大进展、2022年度IUPAC化学领域十大新兴技术。


下期预告

5月15日晚

庆祝建校118周年

相辉校庆系列学术报告第六场

将在相辉堂南堂举办

欢迎参加

制图:实习编辑:罗钰责任编辑:李斯嘉

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