新型碳納米管纖維：打造能為手機充電的智能衣服！

導讀

近日，美國辛辛那提大學的工程師們與賴特-帕特森空軍基地合作利用碳納米管製造出一種特殊的紡線，它可以編織成能為智能手機充電的衣服。

背景

看過電影《鋼鐵俠》的朋友，對於主人公托尼·史塔克所穿的那套鋼鐵盔甲一定不會陌生。這套可自由操控的鋼鐵盔甲，賦予托尼·史塔克許多超凡的能力，讓人羨慕不已。然而，這套鋼鐵盔甲的能量來源卻是位於鋼鐵俠胸口的超級供電裝置（微型核反應堆）。

（圖片來源：維基百科）

許多人都會夢想穿上鋼鐵俠般的盔甲，可是要在胸口部位裝上一個微型核反應堆，也許會讓大家望而生畏，幾乎沒人願意冒這個風險。但是，一套類似鋼鐵俠所穿的那種可隨時充電的智能衣服，並不是只能出現在科幻小說中，科學家們正努力使之成為現實。下面，帶大家回顧一下筆者之前介紹過的一些經典研究案例：

1）瑞典科學家們開發出一種可以將動能轉化為電能的壓電織物，織物承受的負載越大，就會變得越濕潤，產生的電力也變得越多。目前，這種織物產生的電力足以點亮一盞LED燈、發送無線電信號或者驅動小型電氣單元，例如口袋計算機或者數字手錶。

（圖片來源：Johan Bodell / 查爾姆斯理工大學）

2）美國喬治亞理工學院的研究人員開發了一種纖維織物，可同時從陽光和運動中得到能量，為可穿戴設備、智能手機、智能硬體等電子產品供電，而且成本低廉，可規模化生產。

（圖片來源：喬治亞理工學院）

3）美國馬薩諸塞大學安姆斯特分校研究人員發明了一種新方式，將透氣、柔韌、不含金屬的電極集成到織物和成品衣物上。這樣製成的「智能衣服」不僅觸感很好，而且可以將人體運動所產生的能量轉化為電能，為小型電子設備供電。

（圖片來源：馬薩諸塞大學安姆斯特分校）

4）英國曼徹斯特大學開發出一種固態的柔性超級電容設備。通過絲網印刷技術，採用導電的石墨烯氧化物油墨，可以直接將它列印在紡織品例如棉織物上。

（圖片來源於：曼徹斯特大學）

5）美國得克薩斯大學達拉斯分校（UTD）和韓國漢陽大學科學家領導的國際科研團隊開發出最新的高科技紗線「Twistron」，它可以在自身被拉伸或者扭轉時產生電能。這種紗線由碳納米管構成，本質上是一種超級電容。

（圖片來源：UTD）

6）新加坡南洋理工大學設計出一種織物般的電源，它經過剪切、摺疊或者拉伸後並不會喪失功能。

（圖片來源：新加坡南洋理工大學）

創新

今天，讓我們再來看一種可以為電子產品供電的智能衣服。近日，美國辛辛那提大學（University of Cincinnati ）的工程師們與賴特-帕特森空軍基地合作製造出一種可以為手機充電的衣服。這套衣服的實現要歸功於碳納米管的獨特性質：巨大的表面積、高強度、導電、耐熱。

（圖片來源：維基百科）

辛辛那提大學工程與應用科學學院與美國空軍研究實驗室之間有一個為期五年的協議，合作開展改善軍事技術應用的研究。辛辛那提大學教授 Vesselin Shanov 和教授 Mark Schulz 以及他們的研究夥伴共同領導了辛辛那提大學納米世界實驗室（Nanoworld Laboratories ）。他們利用電氣、化學和機械工程方面的專業知識，製造出為電子設備供電的「智能」材料。

Shanov 說：「主要的挑戰就是轉化這些美好的特性，從而利用它們的強度、導電性以及耐熱性。」

Vesselin Shanov 教授手持納米世界實驗室中生長的碳納米管纖維樣本。

（圖片來源：辛辛那提大學）

辛辛那提大學納米實驗室指導了30位研究生和大學生的集體研究。其中之一的論文合著者、辛辛那提大學研究員 Sathya Narayan Kanakaraj 試驗了許多方法來改善干紡碳納米管纖維的抗拉強度。他的研究成果於六月份發表於《材料研究快報（Materials Research Success）》期刊。

過去幾年，研究生 Mark Haase 一直在賴特-帕特森空軍基地研究碳納米管的應用。通過合作，辛辛那提大學的學生們採用空軍實驗室的複雜設備，包括X射線計算機斷層掃描技術，分析樣本。Haase 也一直在採用空軍的設備幫助同學們的項目。

技術

Schulz 表示，碳基產品的製造正處於復興之際。碳納米管將取代汽車和飛機中的銅線，減少重量並提升燃料效率。碳可用於過濾飲用水，並製成新型生物識別感測器，告訴我們關於生命和身體的更多信息。

碳將取代滌綸和其他合成纖維。因為碳納米管是地球上發現的最黑的物體，能吸收99.9%的可見光，所以你也許會說碳是「新黑」（黑色在時尚圈是最經典的顏色，所以某一年流行什麼色，這個顏色就是「新黑」。），也就是說，「碳」突然變得非常流行。

Schulz 表示：「過去，金屬是製造業的主要產品。但是，我認為碳將在許多應用中取代金屬。」他也表示：「未來將是碳的新時代，一場碳的革新。」

辛辛那提大學的研究人員通過「化學氣相澱積」工藝，在加熱的真空室中，從四分之一尺寸的硅晶圓上「生長」出納米管。

工程師們在紫色硅晶圓上生長碳納米管

（圖片來源：辛辛那提大學）

Haase 表示：「每個粒子都有一個成核點。通俗點說，我們稱之為種子。含碳氣體被引入到反應器中。當碳氣體與『種子』發生反應時，它會分解並在表面重新形成。我們讓它生長到想要的尺寸。」

研究人員幾乎採用了任何含碳的物質，從乙醇到甲烷。Haase 表示：「我們記得有一個小組用女童軍餅乾展示了他們的成果。只要它含碳，你就可以將它轉化為納米管。」

2007年，辛辛那提大學納米世界實驗室創造了世界記錄，他們生長出了可拉伸接近2厘米的碳納米管，是那時實驗室中創造出的最長的碳納米管陣列。如今，實驗室可以創造出的納米管要比它長許多倍。

辛辛那提大學的研究人員通過實驗室中的工業線軸拉出這種微小的纖維方格。突然，這種微型碳薄片變成了一種紡線，類似於蜘蛛的絲，可以被編進織物中。

碳納米管纖維變成高強度的導線。

（圖片來源：辛辛那提大學）

像蜘蛛絲一樣，這種碳納米管纖維可以經受得起拉伸。

（圖片來源：辛辛那提大學）

利用實驗中定製的紡紗機將碳納米管纖維紡織成細線。

（圖片來源：辛辛那提大學）

空軍研究實驗室材料與製造局的領頭人 Benji Maruyama 稱，之前大規模量產仍是碳納米管技術有待解決的重大問題之一。Maruyama 表示：「為了擴大生產規模，仍然有許多工作要做。從硅盤上剝落碳納米管纖維，適合實驗室規模的研究，卻不適合製造飛機機翼或飛行服。」他說：「唯一阻礙我們的事情，就是大規模製造碳納米管。」

Maruyama 正在嘗試開展一系列實驗來解決這個問題，其中它用到了一種自動化的研究機器人「ARES」。這種機器人設計並開展碳納米管實驗，分析結果，然後採用數據和人工智慧定義下一個實驗的參數。在相同的時間內，通過這種方式開展的實驗數量，是人類研究人員開展的實驗數量的100倍。

價值

Shanov 表示：「它酷似織物。我們可以將像機器線一樣組裝它們，將它們應用於各個領域，例如追蹤水中重金屬的感測器或者能量存儲設備，包括超級電容和電池。」

（圖片來源：辛辛那提大學）

對於軍事來說，它可以取代笨重的電池，而這些笨重的電池可為組成士兵裝備的越來越多的電子設備：燈、夜視和通訊設備供電。

Haase 表示：「因為他們攜帶的三分之一的重量就是為所有設備供電的電池。所以，即使我們可以從中減少一些重量，將非常有利於作戰中的士兵。」

醫療研究人員也在研究，碳納米管是如何幫助釋放一定劑量的靶向藥物。

Haase 表示：「你可以在外部添加一個蛋白質分子。細胞將讀出它並表示，『我想吃它』。所以我們可以通過釋放藥物來支持健康細胞，修復病態細胞，甚至殺死癌細胞。」 但是首先，研究人員要確保碳納米管是無毒的。

Haase 表示：「這就是為什麼我們進展得非常慢。研究發現，類似於石棉，較多地或者急性地接觸碳納米管會引起肺部損傷。我們最不想乾的事情，就是治癒了一種癌症，然後發現它讓你得了另外一種。」

研究的初步成果讓人感到非常有前景。雖然目前碳納米管的成本還是很高，但是 Haase 表示：「我們一直在與更加關注性能而不是成本的客戶一起工作。但是一旦我們可以完美地合成碳納米管，產量就會大幅上升，成本也就會相應地下降。然後，我們將看到碳納米管應用到更多的領域。」

就目前而言，辛辛那提大學的實驗室在一次研究中製造出了50碼的碳納米管線。Haase 表示：「大多數大規模的紡織機器都需要幾英里的線，我們將會實現這個目標。」

Maruyama 表示：「碳納米管的一大優勢，就是不存在材料的短缺。它只需要金屬催化劑（我們採用了鐵和鎳）和碳。這些並不是稀有材料。所以，當我們談及每年製造數百萬噸的碳納米管，我們並不是在製造數百萬噸的稀有材料。」

Shanov 表示，最終目標是將辛辛那提大學的學術研究轉化為解決實際問題的方案。他說：「探索不同應用的學術研究對於我們來說是奢侈的。它們並不是全部可以上市，但是即使有10%可以上市，也是巨大的成功。」

關鍵字

碳納米管、智能服裝、可穿戴技術

參考資料

【1】http://magazine.uc.edu/editors_picks/recent_features/nanoworld.html

【2】http://dx.doi.org/10.1088/2053-1591/aac757

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