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Science：碳管纺纱线，一拉就来电

来源: X-MOL 2017-09-05 17:03:50

十几天前，台湾省内闹的沸沸扬扬的“大停电事件”，让“经济部长”李世光先生丢掉了乌纱帽，连台湾地区领导人蔡英文女士也不得不向公众道歉。甚至有台湾媒体哀叹，“搞定台湾不需要导弹，一个电力工程师就够了”、“是时候用爱发电了”（“用爱发电”的梗，请自行上网搜索）。不谈事件的政治和社会影响，仅事件本身就足以凸显现代社会对电力的依赖。

除了火力发电、水力发电、核能发电、太阳能发电、风能发电等常见的发电方式，科学家们还发展了更多获取电能的方法。比如，你可能听说利用海水和淡水之间渗透压差来发电（Nature, 2016, 536, 197-200，点击阅读相关），你也可能听说过中国科学家利用水蒸发来发电（Nat. Nanotech., 2017, 12, 317-321，点击阅读相关），你还可能听说过佐治亚理工学院王中林院士团队于2006年发明的第一个纳米发电机——压电纳米发电机（Science,2006, 312, 242-246），以及随后在2012年发明的摩擦纳米发电机（Nano Energy, 2012, 1, 328-334）和热电纳米发电机（Nano Lett., 2012, 12, 2833-2838）。这些工作为电子设备，特别是可穿戴设备、传感器、植入型医疗设备以及微纳米器件的供能指出了新的发展方向。

近日，韩国汉阳大学Seon Jeong Kim教授和德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman教授等人合作在Science 杂志上发表文章，发明出一种“Twistron”发电机，通过碳纳米管纺线，在不需要外部偏置电压的情况下，就可以将拉伸或扭转的机械能转换变成电能。

“Twistron”发电机制备过程示意图。图片来源：Science

“Twistron”发电机本质上是一种无需外加电压的电容器，它由很多根碳纳米管纺成，单根碳纳米管是直径为人头发丝万分之一的中空圆柱体，纱线电极的总直径在50~70 μm之间。为了提高纱线的弹性，研究者不断提高纱线的捻度，从而使得纱线呈类似弹簧的螺旋结构。

纺线方法拓扑结构及电化学测试示意图。图片来源：Science

“Twistron”想要发电，还须涂上或浸泡在电解质中。这些电解质中的离子会自动插入到纱线中，当纱线被拉伸或扭转时，纱线上的电荷彼此靠近，电压增高，从而产生电能。实验数据表明，当纱线拉伸30%时，开路电压增加140 mV；当纱线拉伸50%、拉伸频率12 Hz时，输出的峰值功率可以达到179 W/kg。

拉伸强度和频率对“Twistron”电流、电压及峰值功率的影响。图片来源：Science

文章另一亮点是使用压电化学谱法（piezoelectrochemical spectroscopy，PECS）测量纺线电极的零电荷电势（potential of zero charge，PZC）。由于电极和周围电解质之间存在化学势差，而零电荷电势（PZC）可以表征“Twistron”电极的电荷平衡状态，用来研究其电荷状态随形变的变化规律。

压电化学谱法测试“Twistron”电极的电性能。图片来源：Science

研究者设想“Twistron”可以在海浪运动中将动能转化成电能，随后他们进行了简单的尝试，将电极系在气球下端，浸入到海底。每当海浪到来时，气球就会上升，拉伸纱线。研究过程中，海波的频率范围为0.9~1.2 Hz，开路电压可以达到46 mV，平均输出功率1.66 W/kg。

海水中发电的“Twistron”。图片来源：Science

研究者还发现，纱线的电阻影响了“Twistron”发电机的性能。为了解决问题，他们在纱线中加入了一根23 μm粗的铂丝降低电阻，这样纱线拉伸50%、拉伸频率12 Hz的峰值功率就由 179 W/kg上升至250 W/kg。

在实验室里，研究者还测试了一根重量小于苍蝇的Twistron纱线。结果发现，每次被拉伸后，纱线产生的电能可以点亮一个小型LED。他们将“Twistron”缝在纺织品中，用作自供电呼吸传感器，无需额外提供电源。在人体正常呼吸时，随着胸腔的起伏，纱线被拉伸并产生电信号。

材料学

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