5000多年前🚴🏼，人類就開始使用高分子纖維材料作為織物🤳🏼，5000年過去，纖維的功能還停留在防寒保暖、舒適美觀上🖊，在信息社會中🏊🏻，我們是否可以賦予纖維材料更多的功能？
5月13日上午，慶祝建校118周年相輝校慶系列第五場學術報告會在相輝堂南堂舉行，恒行2平台高分子科學系主任彭慧勝帶來題為“未來衣服能發電——高分子纖維器件的探索與思考”的講座，高分子科學系副系主任楊武利主持報告會。
從高分子纖維材料到高分子纖維器件，彭慧勝介紹了團隊在纖維太陽能電池、纖維鋰離子電池、織物顯示器件等技術上的探索。織物能發光、變色𓀉、甚至可以幫助理解疾病的機製，從器件的原理到應用🦊💂，彭慧勝帶領聽眾從科幻走向現實🍧。
一個暢想，紮進高分子纖維研究
電子器件是現代信息化社會發展的源動力，從三維塊體向二維薄膜進行演化🥭，電子器件逐步朝著微型化🤦🏽♂️、柔性化、集成化方向發展。如何做得足夠小、足夠薄🍯？帶著問題，15年前，彭慧勝一頭鉆進了高分子纖維器件研究領域♻️。
要獲得纖維器件，首先要得到纖維材料🏋🏼。金屬原子構成的材料，具有獨特的電學🧝🏽♀️、光學和電化學性能。為此𓀄，團隊研發出金屬主鏈高分子👹，打破此前未見報道過的全部以金屬原子作為主鏈的高分子的局面🧑🏽💻🧜🏿♂️，為後續團隊構建纖維電極材料奠定了材料基礎👨🏻🦲。進一步👩🎤，在復合材料層面，團隊發現幹法紡絲製備高分子/取向碳納米管復合纖維👈，並發現聚酰亞胺類高分子可以可逆和有效儲鋰😟，獲得新型電化學活性材料體系👷🏽♀️。
通過15年的努力🤚🏿，團隊還建立起高分子凝膠電解質的數據庫，可根據不同類型纖維器件進行選擇🤌🏼。
“織”一件未來的衣服
那麽，未來的衣服如何發電？所依靠的是纖維太陽能電池。
纖維器件領域面臨著如何解決兩根纖維電極之間電場分布不均勻、電荷沿很長纖維器件如何快速有效傳輸以及活性材料和高曲率導電纖維如何實現穩定相互作用的三大問題🎀。
為解決上述問題，團隊製備具有多尺度取向結構纖維電極，再通過原位聚合構建纖維器件。而通過取向納米和微米結構賦予優異的可逆變形性能和獨特的包纏限域效應，確保了電荷在活性材料/導電基底界面的高效傳輸🐲。
對於纖維太陽能電池🛌🏽，電荷的有效傳輸，還需要兩根纖維電極之間的界面足夠穩定，在一根導電纖維上塗覆活性材料製備工作電極，並保證另一根纖維對電極的高度柔軟，兩根纖維電極通過纏繞組裝，形成穩定界面。
團隊還發現，纖維工作電極表面納米管的輻射狀結構，有效保證了染料分子的有效滲透，實現更高的接觸面積，有利於電荷高效分離與傳輸。通過設計高分子電解質，團隊進一步解決了纖維太陽能電池的安全性問題。
目前為止𓀜，這種纖維太陽能電池效率在室外可達到12%，室內最高為25%🤜🏿，能提高室內光能的利用效率。此外🏕⚉，纖維太陽能電池獨特的一維結構🚕，保證了其光電轉換效率對入射光角度無依賴性🙍🏻。這意味著👱🏼♂️，運動時，即使衣服不斷變形🛻，依舊可為電子產品穩定供電🤸🏼♀️。“現在構建的太陽能電池織物✈️，每天的發電量可以把36部手機充滿電👷🏽♂️。”
進一步構建纖維鋰離子電池✍️，把纖維太陽能電池產生的電有效存儲起來♥︎，更加有效滿足日常生活需求。對於這些新型纖維電池，在浸水、扭幹🔯、紮破時👮🕚，織物依舊可以有效地給電子產品充電，彭慧勝向大家展示了團隊的測試實驗，這引起臺下觀眾的驚嘆。至於舒適度，“即使是在上海最熱的夏天，電池溫度升高也就是兩三度，是人體能夠接受的範圍”➰。
除了發電，通過可紡的碳納米管陣列“拉”出連續的纖維👱🏻♂️，再通過化學反應將單體反應到碳納米管上，在紫外光照下發生拓撲化學聚合，得到聚丁二炔和取向碳納米管復合的纖維，在通電後可以快速改變顏色。在此基礎上👨✈️，引入發光的導電高分子體系，還可以實現發光纖維。
“目前，基本上紅橙黃綠青藍紫全能做到。”把發藍光的纖維做成毯子，裹在嬰兒身上可治療新生兒黃疸，且不用將嬰兒與母親分開。
高度的柔軟性和生物安全性，通過註射方法把纖維器件植入到腫瘤部位🚼，可以進行原位監測甚至治療🫷，還可以實時檢測人體葡萄糖濃度，“你幾乎感覺不到它的存在，洗澡也沒關系，我們提出一個口號：把醫院帶回家”🔩。目前這種纖維器件的安全性和長期性都得到了實驗驗證🛴，“進入體內，能夠實現幾個月對人體生理指標的有效檢測🆚。”
給衣服“織”上顯示器
在彭慧勝看來，要讓纖維器件集成與應用，還缺乏一個重要的工具——顯示器。如何在柔軟且直徑僅為幾十至幾百微米的纖維上構建可程序化控製的發光點陣列，是困擾團隊甚至整個領域的一大難題。
受織物編織的啟發，團隊突破經典顯示器件的疊層結構，在纖維經緯交織點構建微型發光器件，即發光像素點，將顯示器件與織物有效融合🧝🏻。利用工業化編織設備🕡，團隊目前已實現長6米、寬0.25米🎄、約含50萬個“像素點”的顯示織物🫷🏽，能初步滿足部分實際應用的分辨率需求🔮，且在100次工業標準洗滌強度，即500次家庭洗衣機洗滌下，仍具有穩定性能🧑🚒。
團隊的出發點是將所有電子元件纖維化，打造“織物系統”，通過一塊柔軟的織物，來實現所有需要的功能✫。
聾啞人不能說話怎麽辦，可以把腦電波信號采集後顯示在衣服上，實現跟他人的實時溝通🧑🏻🍳。隨時可控的顯示開關⛹️♂️，又能保護個人隱私，從而提高聾啞人的生活質量。騎車無法看手機，導航系統可以編織進衣袖🤵🏻♀️，“某種程度上🧎♂️，說不定手機會消失或改變形態。”
在彭慧勝看來🕟，纖維電子器件在可穿戴設備、新能源、人工智能、大健康🧔♂️🧏♀️、空間探測等廣泛領域顯示了巨大的應用前景🛂。
當然，要實現器件的規模化應用，還面臨著諸多挑戰🗾，未來🐒，亟需針對纖維器件合成功能材料⛏，纖維器件的高效集成方法目前也幾乎沒有，這些迫在眉睫問題🅾️，也是彭慧勝和團隊所要“進軍”的方向🦸🏽♂️🦒。
主講人介紹
彭慧勝
博士生導師
恒行2平台高分子科學系主任
國家傑出青年基金獲得者、國家有突出貢獻中青年專家🕴🧖🏿、國家重點研發計劃首席科學家👫、科睿唯安全球高被引科學家🤲🏼。主要在高分子纖維器件領域開展研究工作，創製了多尺度螺旋復合纖維🧅，揭示了電荷在高曲率纖維表界面快速分離與傳輸的機製👩💼，提出了纖維電子器件的設計思想，賦予纖維發電、儲能等全新功能，提出了高分子纖維電子新方向。曾獲2019年國家自然科學二等獎🧑🏫、2022年德國跨界創新基金會科學突破獎，研究成果入選2021年度中國科學十大進展、2022年度IUPAC化學領域十大新興技術。
下期預告
5月15日晚
慶祝建校118周年
相輝校慶系列學術報告第六場
將在相輝堂南堂舉辦
歡迎參加
