會“發電”的衣服

拍打衣服，它就會“發電”，可以當充電寶使用，給手表或手機充電。更厲害的是，在火災中，衣服“毫發無傷”，穿戴者通過拍打衣服，甚至可以向救援人員發送求救信號……

這件有“魔力”的衣服正是安徽農業大學教授龔維團隊及其合作者的最新作品——摩擦電玄武巖紡織品。

石頭可以制衣服、衣服還會“發電”，其中的科學原理是什么？何時能真正應用到生活中？近日，《中國科學報》記者采訪了龔維。

研究人員對摩擦電玄武巖紡織品進行高溫火焰煅燒實驗。受訪者供圖

點“石”成衣

“玄武巖是一種常見的普通鋪路石料，在地球和月球上的含量都很豐富。經過特殊手段處理后，玄武巖能改變形態，變成一種泛著金屬光澤的高性能纖維材料——玄武巖纖維。更可貴的是，制造玄武巖纖維的過程中基本沒有有害物質排出，對環境污染很小。”龔維介紹。

事實上，我國已把玄武巖纖維列為重點發展的四大纖維材料之一，實現了工業化生產。

“但目前，玄武巖纖維的應用主要還是體現在復合材料的增強上。”龔維說，例如，在建筑和土木工程上，用于混凝土中，提高材料的結構強度和耐久性；在航空航天和汽車工業中，用于制造輕量化和高強度的復合材料部件；在海洋工程中，用于制造耐腐蝕的腐蝕材料；還廣泛用于防火板和隔熱材料上。

此次工作中，龔維等人大膽創新，采用模擬月壤為原材料，生產出可定制化的玄武巖纖維，進而制備出一種摩擦電玄武巖紡織品。

 “采用模擬月壤是為了后續使用真實月壤做鋪墊。我們希望，未來能夠在月球上直接就地取材，制備出月球基地所需的建筑材料。” 龔維強調，地球上的玄武巖也可達到類似效果。

摩擦起電是人們日常生活中的常見現象，摩擦電玄武巖紡織品正是利用了這一效應。“我們在玄武巖纖維中，添加了一種聚酰亞胺纖維。當兩種不同的纖維發生摩擦接觸時，就可以將人體運動產生的能量轉化為電能。” 龔維解釋道。

除了會“發電”，他們還開發了一種可穿戴極端溫度報警系統。火災現場，穿戴者可通過拍打衣服，實時向救援人員傳遞警示信號，表明他們的存在和位置。

龔維介紹，經過一系列實驗證明，這種新型紡織品可以在極端高溫（520攝氏度）或極端低溫（零下196攝氏度）環境中發電，未來有望應用在高低緯度、高海拔、沙漠、甚至于太空等極端環境中。

研究人員對摩擦電玄武巖紡織品進行低溫液氮冷凍實驗。受訪者供圖

苛刻的溫度要求

把堅硬的石頭變成衣服，還是會“發電”的衣服，并非易事。

從玄武巖到纖維需要經過熔融和拉絲兩個過程：先把大塊的玄武巖放置在高溫1500攝氏度下熔融2至4小時，碎成均勻的小顆粒，再把小顆粒置于紡絲設備中，在1350攝氏度下拉制成玄武巖單絲。

 “這兩個過程，都對溫度的要求非常苛刻。” 龔維說，在熔融階段，溫度太低，玄武巖可能沒有完全熔化，還有小顆粒摻雜在里面，很容易出現氣泡、結石，形成新的顆粒；在拉絲階段，熔融溫度太高，玄武巖熔體的粘度下降，降低拉絲效率及纖維強度。

除了溫度，拉絲的速度也會影響玄武巖纖維的質量。

“剛出的絲就像嬰兒，出生時很脆弱，需要小心呵護。如果用力過大，一下就會把絲拉斷；等嬰兒長大，就需要加快速度，給它一個牽伸的力，促使它成長。”龔維說。

為了提高玄武巖纖維品質，他們對熔融、拉絲溫度和技術進行了大量攻關研究，經歷過無數次的失敗和嘗試。

摩擦電玄武巖紡織品的設計思路圖。受訪者供圖

從可戴到可穿

讓摩擦電玄武巖紡織品真正可穿，是龔維他們下一步要解決的問題。

龔維介紹，“我們設想在玄武巖纖維成型之后，通過涂油器在纖維表面涂覆一層浸潤劑，增強纖維的柔軟度、強度，即俗稱的給纖維‘上油’。或是在玄武巖單絲外面包裹一層柔軟度好的舒適性纖維。”

隨著科學技術的不斷發展，當今的紡織已不再局限于滿足日常的衣食住行需求。龔維的終極目標是，從服裝的角度出發，把一切可戴的電子產品全部做成可穿的。

因此，在解決摩擦電玄武巖紡織品可穿的問題后，他們將在衣服上“做文章”，提升發電效率，同時進行更多的電子化設計。

“例如，目前衣服的發電效率還是比較低，只能用于手表或手機的應急充電。可穿戴極端溫度報警系統的信號傳遞也都是有線的，未來希望做到無線，以提升紡織品器件的信號穩定性與人體舒適性。”龔維期望著，未來，在衣服上能實現更多功能。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202401359