纤维的替代与创新

文/王春蕾

人类的下一代纱线

由美国得州大学达拉斯分校和韩国汉阳大学的科学家领头的国际研究组开发出一种高科技纱线，当被拉伸或扭曲时它会产生电力。在近期发表的美国《科学》杂志上的一篇论文详细描述了这种名为“Twistron”的发电纱线以及适用的领域，比如它能从海浪中或温度波动中收集能量；缝进衬衫时，它又会充当自供电的呼吸监测仪。这个发现引起全世界纺织品服装业、能源问题专家、研究员、新兴技术和物联网业界的高度关注。这份报道集中体现了各行各业共同的利益与担忧。

翻阅旧报纸和杂志，你会发现过去也不乏精彩的发现或发明，其中有些片段还会让你大吃一惊，让你重思过去。电子纺织品或智能纺织品并不新奇。维基百科针对电子纺织解释是这样的：构成电子纺织品、导电线和织物所需的基本材料已存在了千余年。特别是，几个世纪以来，技工一直用细金属箔，大多是用金和银包裹织物线。比如说，伊丽莎白女王一世的许多礼服都用金丝线缠绕。如今的研究尝试并不新奇，只是越来越好。

某个时候，若是在网上搜索棉花替代品，很可能让人联想到与纺织品相关创新的报道，这些报道人们阅读起来饶有兴趣，因为在过去就有人大致预言到了今天的发展状况。

在上个世纪初，英国约克郡有个富有的染色匠，名叫米尔顿爵士。他在当时的《纺织学院学报》上称：棉花的高成本可能促使替代性纤维的发展。他也不是先知，他没有预言将来会发生什么。不过，他还是指出了其他纤维成为棉花的替代品将成为一种需求。反过来说，寻找替代品纤维不是什么新鲜事：在近100年间，这个话题一次又一次被人们讨论。

最近一次国际染色协会举办的年度会议上，业界专家在发表讲话时说，棉花贸易糟糕的状况主要是因为原材料的价格过高。然而，他也表达了自己的意见：将棉花制造业从完全依赖世界上的棉花作物中解放出来的期望已到来。科学研究若能正确引导，即可能研发出更好的纤维制造方法，虽然这种纤维还不能完全替代棉花，但可补充棉花的供应，就像人造丝替代天然丝一样。除了提到的这种可能性以外，他还认为人类终究有一天会发现另一种植物能生产数量充足的绿色纤维，而且在种植它时可比种植棉花少很多环节、顾虑和风险。

自米尔顿爵士在一个世纪前表达了他对棉花问题的担心以来，业界明显感觉到技术已解决了这一困扰。现今，人们寻找的是一种能够可持续发展的产品，无论是传统的天然纤维还是现行的人造纤维，新一代纤维必定智能化，多功能化。

纠结的发展，躁动的业界

达拉斯分校发表的一份声明概括了研究人员的兴奋之情：Twistron是由直径为发丝万分之一制成的弹性纱线，即碳纳米管构成物。研究员首先将碳纳米管捻成高强度的轻量纱线。为使纱线具备高弹性，他们加大环绕圈数，纱线便可像捻过度的橡皮筋一样卷成圈。为了发电，纱线必须浸入或涂上电离子导电材料或电解质，这种材料很简单，可以是普通食盐和水的混合物。虽然简单它却是一个技术奇迹。这令科研人员兴奋，而外行人却难以理解。

研究员兴奋不已，只因一根比家蝇还要细的纱线竟能给一盏小LED灯供电，每当这根纱线被拉伸时，灯就亮了。为了展示这种纱线可从环境中收集废热能量，他们又将这种纱线与聚合物人造肌连接，当加热或冷却时，人造肌就会收缩和扩张。这种细纱可将聚合肌产生的机械能转化成电能。研究员把它缝入衬衫，让人穿上呼吸时，它竟能在正常呼吸情况下因拉伸产生电信号，这证明它具备了自供电的功能，可用于呼吸传感器。此时，旁边的每一个人都充满期待感叹道：“哇！”

纳米技术研究所主管，电信技术记者雷伊·鲍曼说：“这对可穿戴织品有着极其重要的商业价值，但它怎样才能运转呢？从人类运动中收集电能是消除对电池需求的一种策略。与文献报道的其他可编织的纤维相比，这种纱线在拉伸时产生的电能比过去高出100倍。”

但是由于很多原因，在很长一段时间内，它还停留在理论上。在规模化生产达到一定水平前，它不会改变高成本和规模化的经济效益。一直到那时，Twistron还只是学术界感兴趣的话题。

美好未来，依靠创新

无论如何，Twistron在新闻报道中属于新型的概念，也可能是最令人激动的创新和发明。最近全世界的纺织业和服装业都在举办各种活动，公司也在研发方面投入大笔资金。他们最迫切的问题仅仅停留在如何降低成本上，仅希望满足消费者对可持续时尚的需求。而对Twistron的了解少之又少。然而已有先例可循，几年前，美国亚特兰大佐治亚理工学院研究员就宣称，他们已开发出一种既能从太阳光中收集能量，又能从运动中收集能量的织物。2016年9月美国《自然能源杂志》报道了这个研究成果后，他们又宣布：“把两种发电的方式结合到一种纺织品里，就可为智能手机或全球定位系统等设备提供能源，且为智能服装铺平了道路。”

这是种混纺品，也被看作是“新奇的充电设备的解决方案，其原理就像晴天刮风一样简单”。研究小组用一台商用纺织机，把轻质聚合物纤维制成的太阳能电池与基于纤维的带摩擦生电的纳米发电机相结合，即摩擦纳米发电机产生的电结合摩擦带电效应和静电效应，通过机械运动如旋转、滑动或振动则产生了少量电能。其劣势是这种织物只有320μm厚，若与几股羊毛纤维编织在一起，它就可结合为帐篷、窗帘或其他可编织服装的原材料。现在可以确定的是，这是一种高弹性的、透气的、轻量级的并适合多种用途的织物，且可发电的用材。

很明显，无论是利用太阳能、风能还是热能，在大多数研究刚开始时都被看作是新纤维、纱线和织物的基本驱动因素之一。2017年夏，美国田纳西州范德堡大学也宣布一项科研成果。该大学纳米材料与能量设备实验室开发的一种新型超薄能量收集系统，与服装融合即可很快给手机、健身追踪器和其他个人电子设备充电。基于《美国化学能量》杂志发表的一篇论文中所描述的系统步骤，该大学宣称：这种电池技术仅由几个原子层厚的黑磷制成，这种新设备当弯曲或受挤压甚至在人类运动的频率极低时也能产生少量电能。

这一事实表明与米尔顿爵士所提到的替代纤维预期是一致的。人类对电子纺织品的调研由来已久。只有在19世纪末，人们才有可能用电力来驱动小装置。而且只有现在，同样的知识才被应用到可穿戴设备上。只是创新频率越大，它就会变得更好。