《三體》科幻成現實！復旦教授發明“穿在身上的顯示器”，還能給手機充電
“這是《三體》裡的世界。”“劉慈欣的想象成真了！”復旦大學高分子科學系主任彭慧勝教授帶領團隊，在國際上率先研製出織物顯示器件後，引發了眾多網民的驚呼。他領銜完成的“碳奈米管複合纖維鋰離子電池”專案，2020年榮獲國家自然科學獎二等獎。他帶領團隊實現的“高效能纖維鋰離子電池規模化製備”，入選2021年度“中國科學十大進展”。
這位出生在湖南小山村的科學家，不僅收穫了美不勝收的科研成果——讓衣服像顯示屏一樣呈現出七彩畫面，而且悟出了從事科研工作的成功經驗。“研究工作最需要兩個品質：不顧一切的勇氣和豐富的想象力。”彭慧勝說。
用於編織衣服的發光纖維（新華社發）
在質疑聲中堅持15年，創造“世界第一”
2008年留學歸國、入職復旦後，彭慧勝選擇了一個科學家很少涉足的研究方向——纖維電子器件。當時在柔性電池領域，研發薄膜電池的科學家有很多，但很少有人研究纖維電池。衣服上的纖維可否蓄電、發光？可否變成柔性顯示器？這些只存在於《三體》等科幻小說裡的場景，成為彭慧勝的攻關目標。
“科學研究要有豐富的想象力，就像愛因斯坦所說，想象力比知識更重要。”談及當年對科研方向的選擇，彭慧勝深有感觸地說。
與熱門的薄膜電池研究相比，纖維電池這個研究方向幾乎還沒有人想到，技術挑戰很大。比如要研發纖維聚合物鋰離子電池，必須破解三個科學難題：一是把平面結構的平板鋰離子電池轉變成纖維結構，電場會變得不均勻，很難製備活性材料進行匹配；二是平板電池的電荷傳輸路徑較短，而纖維電池的長度有幾米、十幾米乃至更長，如何確保電荷沿纖維長度方向進行有效傳輸至關重要；第三個科學難題，是在製備和使用過程中，纖維電池會自然形變，所以要確保活性材料在變形時不會脫落。
彭慧勝教授在演講。
國際學術界長期以來有一個共識：纖維電池的內阻隨長度增加而顯著增大，導致無法實現電池高效能化和應用。因此，很多科學家不相信能研製出纖維電池，更不相信纖維電池可以大規模應用。在質疑聲中，彭慧勝堅持了15年。他顛覆了傳統認知，發現纖維電池內阻隨長度增加並不增大，反而先降低後趨於穩定，呈現獨特的雙曲餘切函式關係。這奠定了纖維電池發展的理論基礎。
在這個理論的指導下，他領導團隊研製出20多種纖維器件，其中纖維鋰離子電池具有優異且穩定的電化學效能，能源密度較過去提升了近2個數量級。他們還與產業界合作，建立了世界上首條纖維鋰離子電池生產線。相關技術產品已應用於航天、高鐵、汽車等重要領域，產值超過20億元。
提出大膽構想，編織出“顯示器發光點陣”
“在基礎研究的無人區裡，我們要有不顧一切的勇氣。”彭慧勝告訴他的學生，“摔倒並不是失敗，摔倒後決定不再爬起來，才是失敗。”
憑藉不顧一切的勇氣和豐富的想象力，這位高分子科學家不僅實現了纖維鋰離子電池的產業化，還帶領團隊研製出“穿在身上的顯示器”，讓人類今後能透過衣服瀏覽新聞、收發資訊、記錄備忘……2021年3月，相關研究成果以《大面積顯示織物及其功能整合系統》為題發表在國際頂級科技期刊《自然》上，審稿人評價其“創造了重要而有價值的新知識”。
如何在直徑僅為幾十至幾百微米的柔性纖維上，構建可程式化控制的發光點陣列，是困擾他們的一大難題。為此，彭慧勝團隊發揮想象力，提出一個大膽構想：在織物編織過程中，經緯線的交織可以自然地形成類似於顯示器畫素陣列的點陣。
以此為靈感，他們研製出兩種功能纖維——負載有發光活性材料的高分子複合纖維和透明導電的高分子凝膠纖維，透過兩者在編織過程中的經緯交織，形成電致發光單元，並透過有效的電路控制製備出新型柔性顯示織物。
顏色各異的發光纖維（新華社發）
與傳統的平板發光器件相比，發光纖維的直徑可在0。2毫米至0。5毫米之間精確調控，奠定了其超細超柔的特性。以此編織而成的衣物，能緊貼人體不規則輪廓，像普通織物一樣輕薄透氣，確保良好的穿著舒適度。
在彭慧勝團隊的實驗室，放著一卷捲纏繞在紡錘上的發光纖維，它們顏色各異，通電後就會發光。在一件衛衣上，有一個用藍色發光纖維編織的復旦大學校徽圖案。接通電源後，這件衣服的藍色校徽圖案在暗室裡清晰可辨。
勇闖科研無人區，讓衣服給手機無線充電
2021年9月，這個團隊又在《自然》上發表了一篇論文，報道“高效能纖維鋰離子電池的規模化構建”成果。審稿人評價這項工作是“儲能領域和可穿戴技術領域的里程碑研究”和“柔性電子領域的一個里程碑”。
要實現纖維鋰離子電池活性材料的連續製備，必須有效解決活性材料與導電纖維集流體的介面穩定性難題。“在纖維表面進行塗覆時，很容易產生串珠等塗覆不均勻的現象，就像糖葫蘆一樣，會嚴重影響纖維電極製備的連續性和電池的電化學效能。”論文第一作者何紀卿說。
針對這一痛點，他們透過調控正負極活性材料組分和黏附力，破解了聚合物複合活性材料與導電纖維集流體的介面穩定性難題，還自主設計和建立了面向纖維鋰離子電池連續構建的標準化裝置，獲得高負載量、塗覆均勻和容量高度匹配的正負極纖維電極材料。在這些技術突破的基礎上，他們最終實現了高效能纖維聚合物鋰離子電池的連續化製備。製得的纖維電池容量隨長度線性增加，顯示這一技術路線具有良好的可靠性。編織整合得到的纖維鋰離子電池系統，電化學效能與商業鋰離子電池相當，而穩定性和安全性更加優異。
纖維鋰離子電池能給手機無線充電。莫惠嫻製圖
這一國際領先的科研成果，顛覆了人們對傳統顯示器件和紡織品的認知，入選2021年度“中國科學十大進展”。在實驗室裡，把手機放在一塊看上去很普通的印染藍布上，就開始無線充電，這塊藍布織入的正是纖維鋰離子電池。據介紹，一件由纖維鋰離子電池織就的成人襯衣，相當於一個移動充電寶，一次充滿可以給手機充電約20次。穿著能給手機充電的衣服，對人體是否會有傷害？彭慧勝說：“我們的產品不僅安全、耐洗，對敏感肌膚也很友好。我們正在努力實現它的生物可降解。”
《三體》對人類未來服裝的描寫之所以成為現實，靠的是中國科學家的想象力以及十餘年的堅持不懈。彭慧勝希望年輕學子在學習和生活中培育自己的想象力，在大學本科階段創造性地學習知識，在研究生階段學習創造知識，勇闖科研無人區，這樣才有可能收穫顛覆人類認知的創新成果。
欄目主編：黃海華
本文作者：俞陶然
