科學家意外發現一種新材料 讓電池充電速度大幅提升

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有不少的情況下，一些我們熟知而且非常著名的科學發現都是在偶然情況下發生的。從特氟隆到微波爐，再到青黴素，當科學家們試圖解決一個問題的時候，有時好會發現更多意想不到的新成果。而這正是科學家最近創造磷納米帶的情況，這是一種由宇宙的基本組成單元之一而組成的材料，但它有可能徹底改變一系列我們現在已經被廣泛採用的技術。

科學家們一直試圖將磷晶體層分離成二維薄片。相反而在這個過程中，科學家們卻同時創造出了一種微小、像鞋帶一樣的帶狀結構，它只有一個原子那麼厚，並且雖然只有100個左右的原子構成，但是卻有10萬個原子那麼長。在宣布科學家們的發現之前，已經花了三年時間對它的生產過程進行了鑽研。

二維色帶具有許多顯著的性質，它們的長寬比幾乎與橫跨金門大橋的纜索相同。同時它們還有令人難以置信的均勻性和可操控的寬度，使得它們的特性更加充分的發揮，比如是否導電以及如何導電，所有性質都可以被微調。同時它們還非常靈活，這意味著可以完美的跟隨任何錶面的輪廓進行貼合，甚至可以被彎曲和扭曲。

變革的潛力

目前已經有超過100篇的科學論文預測了這些納米帶所帶來變革的潛力，如果有可能在一系列技術上創造出它們被描述中的應用，那麼其中一些甚至比我們發表在《自然》雜誌上的發現成果早了5年。

也許其中最重要的是就是在電池技術領域的運用。磷烯納米帶的波紋結構意味著作為電池動力的帶電離子移動速度將很快達到目前可能達到速度的1000倍左右。這就意味著電池的充電時間可以顯著減少，同時容量也會增加大約50%左右。這樣的充電性能提升將為電動汽車和飛機行業做出巨大的貢獻，並使我們能夠更好的利用可再生能源，消除對化石燃料的依賴，即使是在天氣陰沉、無風的日子裡，也有更多的能源可用。

這也意味著在未來，電池可以使用鈉離子而不是鋰離子進行電量交換。目前已知的鋰儲量媒介可能無法滿足預期中對電池需求的大幅增長，而提取這種金屬可能對環境也有害。相比之下，鈉元素的含量豐富且價格低廉。

另外，還有電子領域或許也要感謝納米帶的出現。根據摩爾定律指出，計算機處理能力每隔兩年就會翻一番，但隨著材料的物理的極限越來越接近，這一速度有放緩的危險。使用像我們這樣的二維材料可以重新定義這些限制的上限，讓我們能夠製造出體積更小、速度更快的設備。

納米色帶還可以解決這一領域的另一個主要障礙，也就是如何在連接處不產生更大的電阻(減少因此造成能量損失)的情況下用電來連接納米材料。幾層厚的磷酸二烯納米帶可以被無縫的分割成不同高度和電性能的帶狀結構，繞過了通常使用的連接工程要求。正因為如此，通過這項技術，我們期望中的高效率太陽能電池現在也更接近於成為現實。

磷烯納米帶的柔韌性和熱電特性意味著它們也可以嵌入到可穿戴織物中，並將餘溫轉化為有用的電能。例如，我們很快就能看到具有熱電功能的T恤，它的功能就像心臟和血糖水平監測器，而所有這些都是由我們的提問單獨驅動。

另外，這項技術還可以釋放氫元素作為一種高效低碳燃料的潛力。這種氣體在水中的含量豐富，提取時只能產生氧氣為副產品。然而迄今為止，科學家們一直未能找到一種成本更低廉的方法。水分子雖然可以通過光的催化來分解，但這種方法需要一種能吸收大量光能的材料，而且這種材料的能量特性與水可以很好的匹配。根據科學家預測，這種2D納米帶可以恰好具有這些性質，而且具有高表面積，可以最大限度地與水接觸，這使它成為解決產生氫氣難題的一個風非常有希望的候選材料。

令人欣喜的是，磷烯納米帶已經在商業化的道路上克服了面臨的主要障礙。對於大多數新型材料來說，找到一種像我們這樣的可擴展應用場景而且量產的方法需要數年的時間，而有些則從未見過與外界見面。此外，磷是地殼中相對豐富且容易提取的物質。而且，由於我們對色帶的應用已經在液體中形成，我們可以很容易地生產出磷元素油墨或油漆，通過使用低成本的方法，如噴繪或噴墨印刷，大規模地操縱這種色帶。

然而，生產這些色帶只是上述技術改革的第一步。現在科學家需要進行大量的研究來驗證在理論上的預測，並研究色帶的性能在多大程度上可以適應特定的應用場景。通過特氟隆、鋰電池和維可牢尼龍搭扣20多年的發展歷程告訴我們，一項技術從被發現到實際使用，其實要經過非常漫長的道路。但隨著現代社會對化石燃料越來越遠離，我們預計這條路很快就會步入正軌。

本文是由倫敦大學學院副教授克里斯·霍華德(Chris Howard)和博士生米奇·沃茨（Mitch Watts）在知識共享許可下對倫敦大學學院的多層黑磷進行生產、表徵和模擬的對話中重新發表的論文。

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