Science：碳管紡紗線，一拉就來電

科技 09-07

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十幾天前，台灣省內鬧的沸沸揚揚的「大停電事件」，讓「經濟部長」李世光先生丟掉了烏紗帽，連台灣地區領導人蔡英文女士也不得不向公眾道歉。甚至有台灣媒體哀嘆，「搞定台灣不需要導彈，一個電力工程師就夠了」、「是時候用愛發電了」（「用愛發電」的梗，請自行上網搜索）。不談事件的政治和社會影響，僅事件本身就足以凸顯現代社會對電力的依賴。

除了火力發電、水力發電、核能發電、太陽能發電、風能發電等常見的發電方式，科學家們還發展了更多獲取電能的方法。比如，你可能聽說利用海水和淡水之間滲透壓差來發電（Nature,2016,536, 197-200，點擊閱讀相關），你也可能聽說過中國科學家利用水蒸發來發電（Nat. Nanotech.,2017,12, 317-321，點擊閱讀相關），你還可能聽說過喬治亞理工學院王中林院士團隊於2006年發明的第一個納米發電機——壓電納米發電機（Science,2006,312, 242-246），以及隨後在2012年發明的摩擦納米發電機（Nano Energy,2012,1, 328-334）和熱電納米發電機（Nano Lett.,2012,12, 2833-2838）。這些工作為電子設備，特別是可穿戴設備、感測器、植入型醫療設備以及微納米器件的供能指出了新的發展方向。

近日，韓國漢陽大學Seon Jeong Kim教授和德克薩斯大學達拉斯分校Ray H. Baughman教授等人合作在Science雜誌上發表文章，發明出一種「Twistron」發電機，通過碳納米管紡線，在不需要外部偏置電壓的情況下，就可以將拉伸或扭轉的機械能轉換變成電能。

「Twistron」發電機製備過程示意圖。圖片來源：Science

「Twistron」發電機本質上是一種無需外加電壓的電容器，它由很多根碳納米管紡成，單根碳納米管是直徑為人頭髮絲萬分之一的中空圓柱體，紗線電極的總直徑在50~70 μm之間。為了提高紗線的彈性，研究者不斷提高紗線的捻度，從而使得紗線呈類似彈簧的螺旋結構。

紡線方法拓撲結構及電化學測試示意圖。圖片來源：Science

「Twistron」想要發電，還須塗上或浸泡在電解質中。這些電解質中的離子會自動插入到紗線中，當紗線被拉伸或扭轉時，紗線上的電荷彼此靠近，電壓增高，從而產生電能。實驗數據表明，當紗線拉伸30%時，開路電壓增加140 mV；當紗線拉伸50%、拉伸頻率12 Hz時，輸出的峰值功率可以達到179 W/kg。

拉伸強度和頻率對「Twistron」電流、電壓及峰值功率的影響。圖片來源：Science

文章另一亮點是使用壓電化學譜法（piezoelectrochemical spectroscopy，PECS）測量紡線電極的零電荷電勢（potential of zero charge，PZC）。由於電極和周圍電解質之間存在化學勢差，而零電荷電勢（PZC）可以表徵「Twistron」電極的電荷平衡狀態，用來研究其電荷狀態隨形變的變化規律。

壓電化學譜法測試「Twistron」電極的電性能。圖片來源：Science

研究者設想「Twistron」可以在海浪運動中將動能轉化成電能，隨後他們進行了簡單的嘗試，將電極系在氣球下端，浸入到海底。每當海浪到來時，氣球就會上升，拉伸紗線。研究過程中，海波的頻率範圍為0.9~1.2 Hz，開路電壓可以達到46 mV，平均輸出功率1.66 W/kg。

海水中發電的「Twistron」。圖片來源：Science

研究者還發現，紗線的電阻影響了「Twistron」發電機的性能。為了解決問題，他們在紗線中加入了一根23 μm粗的鉑絲降低電阻，這樣紗線拉伸50%、拉伸頻率12 Hz的峰值功率就由 179 W/kg上升至250 W/kg。

在實驗室里，研究者還測試了一根重量小於蒼蠅的Twistron紗線。結果發現，每次被拉伸後，紗線產生的電能可以點亮一個小型LED。他們將「Twistron」縫在紡織品中，用作自供電呼吸感測器，無需額外提供電源。在人體正常呼吸時，隨著胸腔的起伏，紗線被拉伸併產生電信號。

視頻來源：Science

「這些紗線不能做毛衣，但還好可以發電。」研究者調侃道。該團隊對「Twistron」發電機的應用前景很樂觀。因為它具有很高的重量功率密度，在不同拉伸強度、在較寬頻率範圍內，可以實現機械能轉化為電能。不過，高質量的碳納米管成本還非常昂貴，但「看到未來的可能性，就讓我非常興奮。」Baughman教授如是說。[1]

Harvesting electrical energy from carbon nanotube yarn twist

Science,2017,357, 773-778, DOI: 10.1126/science.aam8771

參考資料：

1. http://cen.acs.org/articles/95/i35/Coiled-nanotube-yarn-generates-electricity.html

（本文由小希供稿）

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