三体科幻成现实！复旦教授发明穿在身上的显示器，还能给手机充电

　　＂这是《三体》里的世界。＂＂刘慈欣的想象成真了！＂复旦大学高分子科学系主任彭慧胜教授带领团队，在国际上率先研制出织物显示器件后，引发了众多网民的惊呼。他领衔完成的＂碳纳米管复合纤维锂离子电池＂项目，2020年荣获国家自然科学奖二等奖。他带领团队实现的＂高性能纤维锂离子电池规模化制备＂，入选2021年度＂中国科学十大进展＂。
　　这位出生在湖南小山村的科学家，不仅收获了美不胜收的科研成果——让衣服像显示屏一样呈现出七彩画面，而且悟出了从事科研工作的成功经验。＂研究工作最需要两个品质：不顾一切的勇气和丰富的想象力。＂彭慧胜说。
　　用于编织衣服的发光纤维（新华社发）
　　在质疑声中坚持15年，创造＂世界第一＂
　　2008年留学归国、入职复旦后，彭慧胜选择了一个科学家很少涉足的研究方向——纤维电子器件。当时在柔性电池领域，研发薄膜电池的科学家有很多，但很少有人研究纤维电池。衣服上的纤维可否蓄电、发光？可否变成柔性显示器？这些只存在于《三体》等科幻小说里的场景，成为彭慧胜的攻关目标。
　　＂科学研究要有丰富的想象力，就像爱因斯坦所说，想象力比知识更重要。＂谈及当年对科研方向的选择，彭慧胜深有感触地说。
　　与热门的薄膜电池研究相比，纤维电池这个研究方向几乎还没有人想到，技术挑战很大。比如要研发纤维聚合物锂离子电池，必须破解三个科学难题：一是把平面结构的平板锂离子电池转变成纤维结构，电场会变得不均匀，很难制备活性材料进行匹配；二是平板电池的电荷传输路径较短，而纤维电池的长度有几米、十几米乃至更长，如何确保电荷沿纤维长度方向进行有效传输至关重要；第三个科学难题，是在制备和使用过程中，纤维电池会自然形变，所以要确保活性材料在变形时不会脱落。
　　彭慧胜教授在演讲。
　　国际学术界长期以来有一个共识：纤维电池的内阻随长度增加而显著增大，导致无法实现电池高性能化和应用。因此，很多科学家不相信能研制出纤维电池，更不相信纤维电池可以大规模应用。在质疑声中，彭慧胜坚持了15年。他颠覆了传统认知，发现纤维电池内阻随长度增加并不增大，反而先降低后趋于稳定，呈现独特的双曲余切函数关系。这奠定了纤维电池发展的理论基础。
　　在这个理论的指导下，他领导团队研制出20多种纤维器件，其中纤维锂离子电池具有优异且稳定的电化学性能，能源密度较过去提升了近2个数量级。他们还与产业界合作，建立了世界上首条纤维锂离子电池生产线。相关技术产品已应用于航天、高铁、汽车等重要领域，产值超过20亿元。
　　提出大胆构想，编织出＂显示器发光点阵＂
　　＂在基础研究的无人区里，我们要有不顾一切的勇气。＂彭慧胜告诉他的学生，＂摔倒并不是失败，摔倒后决定不再爬起来，才是失败。＂
　　凭借不顾一切的勇气和丰富的想象力，这位高分子科学家不仅实现了纤维锂离子电池的产业化，还带领团队研制出＂穿在身上的显示器＂，让人类今后能通过衣服浏览新闻、收发信息、记录备忘……2021年3月，相关研究成果以《大面积显示织物及其功能集成系统》为题发表在国际顶级科技期刊《自然》上，审稿人评价其＂创造了重要而有价值的新知识＂。
　　如何在直径仅为几十至几百微米的柔性纤维上，构建可程序化控制的发光点阵列，是困扰他们的一大难题。为此，彭慧胜团队发挥想象力，提出一个大胆构想：在织物编织过程中，经纬线的交织可以自然地形成类似于显示器像素阵列的点阵。
　　以此为灵感，他们研制出两种功能纤维——负载有发光活性材料的高分子复合纤维和透明导电的高分子凝胶纤维，通过两者在编织过程中的经纬交织，形成电致发光单元，并通过有效的电路控制制备出新型柔性显示织物。
　　颜色各异的发光纤维（新华社发）
　　与传统的平板发光器件相比，发光纤维的直径可在0.2毫米至0.5毫米之间精确调控，奠定了其超细超柔的特性。以此编织而成的衣物，能紧贴人体不规则轮廓，像普通织物一样轻薄透气，确保良好的穿着舒适度。
　　在彭慧胜团队的实验室，放着一卷卷缠绕在纺锤上的发光纤维，它们颜色各异，通电后就会发光。在一件卫衣上，有一个用蓝色发光纤维编织的复旦大学校徽图案。接通电源后，这件衣服的蓝色校徽图案在暗室里清晰可辨。
　　勇闯科研无人区，让衣服给手机无线充电
　　2021年9月，这个团队又在《自然》上发表了一篇论文，报道＂高性能纤维锂离子电池的规模化构建＂成果。审稿人评价这项工作是＂储能领域和可穿戴技术领域的里程碑研究＂和＂柔性电子领域的一个里程碑＂。
　　要实现纤维锂离子电池活性材料的连续制备，必须有效解决活性材料与导电纤维集流体的界面稳定性难题。＂在纤维表面进行涂覆时，很容易产生串珠等涂覆不均匀的现象，就像糖葫芦一样，会严重影响纤维电极制备的连续性和电池的电化学性能。＂论文第一作者何纪卿说。
　　针对这一痛点，他们通过调控正负极活性材料组分和黏附力，破解了聚合物复合活性材料与导电纤维集流体的界面稳定性难题，还自主设计和建立了面向纤维锂离子电池连续构建的标准化装置，获得高负载量、涂覆均匀和容量高度匹配的正负极纤维电极材料。在这些技术突破的基础上，他们最终实现了高性能纤维聚合物锂离子电池的连续化制备。制得的纤维电池容量随长度线性增加，显示这一技术路线具有良好的可靠性。编织集成得到的纤维锂离子电池系统，电化学性能与商业锂离子电池相当，而稳定性和安全性更加优异。
　　纤维锂离子电池能给手机无线充电。莫惠娴制图
　　这一国际领先的科研成果，颠覆了人们对传统显示器件和纺织品的认知，入选2021年度＂中国科学十大进展＂。在实验室里，把手机放在一块看上去很普通的印染蓝布上，就开始无线充电，这块蓝布织入的正是纤维锂离子电池。据介绍，一件由纤维锂离子电池织就的成人衬衣，相当于一个移动充电宝，一次充满可以给手机充电约20次。穿着能给手机充电的衣服，对人体是否会有伤害？彭慧胜说：＂我们的产品不仅安全、耐洗，对敏感肌肤也很友好。我们正在努力实现它的生物可降解。＂
　　《三体》对人类未来服装的描写之所以成为现实，靠的是中国科学家的想象力以及十余年的坚持不懈。彭慧胜希望年轻学子在学习和生活中培育自己的想象力，在大学本科阶段创造性地学习知识，在研究生阶段学习创造知识，勇闯科研无人区，这样才有可能收获颠覆人类认知的创新成果。
　　栏目主编：黄海华 图片制作：莫惠娴