新型碳纳米管纤维：打造能为手机充电的智能衣服！
导读
近日，美国辛辛那提大学的工程师们与赖特-帕特森空军基地合作利用碳纳米管制造出一种特殊的纺线，它可以编织成能为智能手机充电的衣服。
背景
看过电影《钢铁侠》的朋友，对于主人公托尼·史塔克所穿的那套钢铁盔甲一定不会陌生。这套可自由操控的钢铁盔甲，赋予托尼·史塔克许多超凡的能力，让人羡慕不已。然而，这套钢铁盔甲的能量来源却是位于钢铁侠胸口的超级供电装置（微型核反应堆）。
（图片来源：维基百科）
许多人都会梦想穿上钢铁侠般的盔甲，可是要在胸口部位装上一个微型核反应堆，也许会让大家望而生畏，几乎没人愿意冒这个风险。但是，一套类似钢铁侠所穿的那种可随时充电的智能衣服，并不是只能出现在科幻小说中，科学家们正努力使之成为现实。下面，带大家回顾一下笔者之前介绍过的一些经典研究案例：
1）瑞典科学家们开发出一种可以将动能转化为电能的压电织物，织物承受的负载越大，就会变得越湿润，产生的电力也变得越多。目前，这种织物产生的电力足以点亮一盏LED灯、发送无线电信号或者驱动小型电气单元，例如口袋计算机或者数字手表。
（图片来源：Johan Bodell / 查尔姆斯理工大学）
2）美国乔治亚理工学院的研究人员开发了一种纤维织物，可同时从阳光和运动中得到能量，为可穿戴设备、智能手机、智能硬件等电子产品供电，而且成本低廉，可规模化生产。
（图片来源：乔治亚理工学院）
3）美国马萨诸塞大学安姆斯特分校研究人员发明了一种新方式，将透气、柔韧、不含金属的电极集成到织物和成品衣物上。这样制成的“智能衣服”不仅触感很好，而且可以将人体运动所产生的能量转化为电能，为小型电子设备供电。
（图片来源：马萨诸塞大学安姆斯特分校）
4）英国曼彻斯特大学开发出一种固态的柔性超级电容设备。通过丝网印刷技术，采用导电的石墨烯氧化物油墨，可以直接将它打印在纺织品例如棉织物上。
（图片来源于：曼彻斯特大学）
5）美国得克萨斯大学达拉斯分校（UTD）和韩国汉阳大学科学家领导的国际科研团队开发出最新的高科技纱线“Twistron”，它可以在自身被拉伸或者扭转时产生电能。这种纱线由碳纳米管构成，本质上是一种超级电容。
（图片来源：UTD）
6）新加坡南洋理工大学设计出一种织物般的电源，它经过剪切、折叠或者拉伸后并不会丧失功能。
（图片来源：新加坡南洋理工大学）
创新
今天，让我们再来看一种可以为电子产品供电的智能衣服。近日，美国辛辛那提大学（University of Cincinnati ）的工程师们与赖特-帕特森空军基地合作制造出一种可以为手机充电的衣服。这套衣服的实现要归功于碳纳米管的独特性质：巨大的表面积、高强度、导电、耐热。
（图片来源：维基百科）
辛辛那提大学工程与应用科学学院与美国空军研究实验室之间有一个为期五年的协议，合作开展改善军事技术应用的研究。辛辛那提大学教授 Vesselin Shanov 和教授 Mark Schulz 以及他们的研究伙伴共同领导了辛辛那提大学纳米世界实验室（Nanoworld Laboratories ）。他们利用电气、化学和机械工程方面的专业知识，制造出为电子设备供电的“智能”材料。
Shanov 说：“主要的挑战就是转化这些美好的特性，从而利用它们的强度、导电性以及耐热性。”
Vesselin Shanov 教授手持纳米世界实验室中生长的碳纳米管纤维样本。
（图片来源：辛辛那提大学）
辛辛那提大学纳米实验室指导了30位研究生和大学生的集体研究。其中之一的论文合著者、辛辛那提大学研究员 Sathya Narayan Kanakaraj 试验了许多方法来改善干纺碳纳米管纤维的抗拉强度。他的研究成果于六月份发表于《材料研究快报（Materials Research Success）》期刊。
过去几年，研究生 Mark Haase 一直在赖特-帕特森空军基地研究碳纳米管的应用。通过合作，辛辛那提大学的学生们采用空军实验室的复杂设备，包括X射线计算机断层扫描技术，分析样本。Haase 也一直在采用空军的设备帮助同学们的项目。
技术
Schulz 表示，碳基产品的制造正处于复兴之际。碳纳米管将取代汽车和飞机中的铜线，减少重量并提升燃料效率。碳可用于过滤饮用水，并制成新型生物识别传感器，告诉我们关于生命和身体的更多信息。
碳将取代涤纶和其他合成纤维。因为碳纳米管是地球上发现的最黑的物体，能吸收99.9%的可见光，所以你也许会说碳是“新黑”（黑色在时尚圈是最经典的颜色，所以某一年流行什么色，这个颜色就是“新黑”。），也就是说，“碳”突然变得非常流行。
Schulz 表示：“过去，金属是制造业的主要产品。但是，我认为碳将在许多应用中取代金属。”他也表示：“未来将是碳的新时代，一场碳的革新。”
辛辛那提大学的研究人员通过“化学气相淀积”工艺，在加热的真空室中，从四分之一尺寸的硅晶圆上“生长”出纳米管。
工程师们在紫色硅晶圆上生长碳纳米管
（图片来源：辛辛那提大学）
Haase 表示：“每个粒子都有一个成核点。通俗点说，我们称之为种子。含碳气体被引入到反应器中。当碳气体与‘种子’发生反应时，它会分解并在表面重新形成。我们让它生长到想要的尺寸。”
研究人员几乎采用了任何含碳的物质，从乙醇到甲烷。Haase 表示：“我们记得有一个小组用女童军饼干展示了他们的成果。只要它含碳，你就可以将它转化为纳米管。”
2007年，辛辛那提大学纳米世界实验室创造了世界记录，他们生长出了可拉伸接近2厘米的碳纳米管，是那时实验室中创造出的最长的碳纳米管阵列。如今，实验室可以创造出的纳米管要比它长许多倍。
辛辛那提大学的研究人员通过实验室中的工业线轴拉出这种微小的纤维方格。突然，这种微型碳薄片变成了一种纺线，类似于蜘蛛的丝，可以被编进织物中。
碳纳米管纤维变成高强度的导线。
（图片来源：辛辛那提大学）
像蜘蛛丝一样，这种碳纳米管纤维可以经受得起拉伸。
（图片来源：辛辛那提大学）
利用实验中定制的纺纱机将碳纳米管纤维纺织成细线。
（图片来源：辛辛那提大学）
空军研究实验室材料与制造局的领头人 Benji Maruyama 称，之前大规模量产仍是碳纳米管技术有待解决的重大问题之一。Maruyama 表示：“为了扩大生产规模，仍然有许多工作要做。从硅盘上剥落碳纳米管纤维，适合实验室规模的研究，却不适合制造飞机机翼或飞行服。”他说：“唯一阻碍我们的事情，就是大规模制造碳纳米管。”
Maruyama 正在尝试开展一系列实验来解决这个问题，其中它用到了一种自动化的研究机器人“ARES”。这种机器人设计并开展碳纳米管实验，分析结果，然后采用数据和人工智能定义下一个实验的参数。在相同的时间内，通过这种方式开展的实验数量，是人类研究人员开展的实验数量的100倍。
价值
Shanov 表示：“它酷似织物。我们可以将像机器线一样组装它们，将它们应用于各个领域，例如追踪水中重金属的传感器或者能量存储设备，包括超级电容和电池。”
（图片来源：辛辛那提大学）
对于军事来说，它可以取代笨重的电池，而这些笨重的电池可为组成士兵装备的越来越多的电子设备：灯、夜视和通讯设备供电。
Haase 表示：“因为他们携带的三分之一的重量就是为所有设备供电的电池。所以，即使我们可以从中减少一些重量，将非常有利于作战中的士兵。”
医疗研究人员也在研究，碳纳米管是如何帮助释放一定剂量的靶向药物。
Haase 表示：“你可以在外部添加一个蛋白质分子。细胞将读出它并表示，‘我想吃它’。所以我们可以通过释放药物来支持健康细胞，修复病态细胞，甚至杀死癌细胞。” 但是首先，研究人员要确保碳纳米管是无毒的。
Haase 表示：“这就是为什么我们进展得非常慢。研究发现，类似于石棉，较多地或者急性地接触碳纳米管会引起肺部损伤。我们最不想干的事情，就是治愈了一种癌症，然后发现它让你得了另外一种。”
研究的初步成果让人感到非常有前景。虽然目前碳纳米管的成本还是很高，但是 Haase 表示：“我们一直在与更加关注性能而不是成本的客户一起工作。但是一旦我们可以完美地合成碳纳米管，产量就会大幅上升，成本也就会相应地下降。然后，我们将看到碳纳米管应用到更多的领域。”
就目前而言，辛辛那提大学的实验室在一次研究中制造出了50码的碳纳米管线。Haase 表示：“大多数大规模的纺织机器都需要几英里的线，我们将会实现这个目标。”
Maruyama 表示：“碳纳米管的一大优势，就是不存在材料的短缺。它只需要金属催化剂（我们采用了铁和镍）和碳。这些并不是稀有材料。所以，当我们谈及每年制造数百万吨的碳纳米管，我们并不是在制造数百万吨的稀有材料。”
Shanov 表示，最终目标是将辛辛那提大学的学术研究转化为解决实际问题的方案。他说：“探索不同应用的学术研究对于我们来说是奢侈的。它们并不是全部可以上市，但是即使有10%可以上市，也是巨大的成功。”
关键字
碳纳米管、智能服装、可穿戴技术
参考资料
【1】http://magazine.uc.edu/editors_picks/recent_features/nanoworld.html
【2】http://dx.doi.org/10.1088/2053-1591/aac757
评论