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在人迹罕至处探寻“科学巧克力”

已有 1277 次阅读 2022-7-3 17:22 |系统分类:人物纪事

彭慧胜和他的团队

骑着摩托车不方便使用手机时,贴在衣袖上的电子织物可变为显示屏,为你导航;出门若忘了带充电器,随身衣服就是一块移动的太阳能电池板;聋哑服务员穿上神奇的工作服,可实时由衣服采集脑电波,向顾客显示心中想表达却无法发声说出的话;人在运动时,穿上带传感器的纤维织物,可随时对生理指标进行检测;脑科学家可利用发光纤维对神经进行精准、多点的光刺激;儿科医生可以把发蓝光的纤维编织成毯子,温和发光,为患有黄疸的新生儿进行更安全的治疗,甚至可以用这样的毯子移动治疗皮肤病等疾病……

这些听起来像科幻电影中才有的场景,正在生活中一步步向现实转化。它们的背后,是一位爱吃巧克力、认为科学就像巧克力一样“不仅好玩而且好吃”的科学家——在20225月入选上海“最美科技工作者”的复旦大学高分子科学系主任、国家重点研发计划首席科学家彭慧胜教授。

大学期间在上图看了整整3个暑假人文图书

彭慧胜来自湖南邵阳农村,家乡很美,但生活简单且物质非常匮乏,“艰难”是他从小对生活的理解。童年在彭慧胜的记忆里,印象最深的就是每天放学回家到锅底里寻找有没有剩余的冷饭锅巴可以填肚子;小学一年级起,他就每天早起帮大人从池塘里舀水、灌溉田地。那时候的彭慧胜特别喜欢读父亲带回家的一些散文和小说,在书本打开的窗户中,乡村少年发现小山村之外还有个精彩的大世界。

虽然是家乡的“学霸”,中学时化学成绩尤其好,但高考因为紧张没有看到一面化学试题而意外失利,彭慧胜本科阴差阳错地进入了当时的中国纺织大学(今东华大学)学习。大学期间,他最大的收获不是在课堂上,而是接连3个暑假每天骑车到上海图书馆,从开馆到闭馆孜孜不倦地阅读,把里面的传记、哲学、历史等主要人文类书籍都看了一遍。在彭慧胜看来,这个过程中直觉和哲学方法的培养,对自己今后科学工作的进展非常重要。他至今坚持每年至少看20本书,也建议年轻人多读书。

在复旦念硕士期间,彭慧胜经常一整天呆在实验室里做实验。得益于童年的经历,他很能吃苦,克服重重困难,通过阴离子聚合合成了当时如果依靠进口要几千块钱1克的嵌段共聚物原材料。还在读硕士研究生的时候,他就以第一作者的身份发表了好几篇一流期刊论文。

申请到美国读博的坎坷经历,让彭慧胜感受到不同国家之间文化差异所带来的冲突。在美国新奥尔良的Tulane大学念博士期间,由于2005年卡特里娜飓风带来的海水倒灌实验室灾难,他从8月开始了将近1年的逃难,一路见闻了受灾社会不易的一面。次年六七月,彭慧胜虽然得以回到学校继续学业,但奖学金又因灾难而意外被停,全靠自己的努力才勉强应付生活。十多年后的今天,在上海新冠疫情带来的普遍工作和生活不便中回顾当年在美国亲历的这场灾难,彭慧胜感谢它已成为了自己的财富,使自己有信心克服之后的各种困难。

找到科学新的“根据地”——纤维电子器件

彭慧胜博士毕业后的第一份工作是在因研制出第一颗原子弹和氢弹而享誉世界的美国Los Alamos国家实验室,NASA探测器上天用的很多太阳能电池也是在这个科学圣地制造的。在那里,彭慧胜印象最深的是所有的成果都会被打上“美国政府所有”的印记。所处的环境使他特别深刻地体会到:科学是无国界的,但科学家是有国籍的,而且这会非常深刻地影响一位科研工作者做研究的方式。

2008年,彭慧胜回到了复旦工作,他想做一些别人没有做过的新东西。他曾经花了许多时间专门研究科学史,了解历史上重大的科学发现是如何取得的,它们又是如何影响人类、推动新技术发展的。研究了一圈,彭慧胜发现科学的各个角落似乎都已经站满了人,新的“根据地”在哪里?他自问。科学史让他看到,电子器件是现代信息化社会发展的原动力,并正朝着微型化、柔性化、集成化方向发展。趋势之下,电子器件的结构正从三维块体向二维薄膜演化。换句话说,如果在一个维度上把三维的电子器件做小,就变成了二维的柔性薄膜。

2008年开始,彭慧胜团队重点提出和实现在二维电子器件的基础上,进一步把一个维度做小,转变成一维的纤维器件。做成一维的纤维电子器件之后,材料就具有了更好的柔软性。

如何利用纤维技术得到电子器件?彭慧胜首先取得成功的是纤维聚合物锂离子电池。电池包括化学电池、物理电池和生物电池,化学电池又包括一次电池、二次电池和燃料电池,彭慧胜团队重点研究的是二次电池中的锂离子电池。凭着“探索无人区”的好奇和直觉,当许多人都在做薄膜电池时,彭慧胜却带领团队尝试做起了纤维锂离子电池,在质疑声中坚持了 15 年,通过用柔性纤维取代原来刚性的电池结构,并且采用聚合物凝胶电解质解决了电池的安全性问题,终于建成了世界上首条纤维锂离子电池生产线,每年产能达到150吨。如今,纤维锂离子电池的能量密度已达124 Wh/kg,能够满足很多生产生活应用的需要。如按照一件衬衣使用300微米直径纤维电池计算,做成一件衬衣产生的电量,可以把52部智能手机充满电。

解决了高性能纤维锂离子电池稳定和安全供电的问题,面对如何持续给普通锂离子电池充电的问题,彭慧胜想到,如果把太阳能电池也做成纤维,和锂离子电池编织在一起,就可以实现自供电了!他和团队又着手创建一系列新型纤维状的太阳能电池,用80%纤维太阳能电池制成的一件衣服每天产生的电量可以把36部手机充满电。这意味着将来人们只要穿上这样一件衣服出门,不带充电器直接把手机揣在口袋里,也可以实现用电自由。

纤维太阳能电池有一种独特的性能,即:不管光从哪个角度照,它的发电是比较稳定的,从0度到180度改变光的入射角度,光电转化效率几乎保持不变,这对于把纤维太阳能电池编织成一件能稳定工作的衣服来说非常重要。关于如何用纤维的太阳能电池解决时装界电子织物的问题,彭慧胜和他的团队也正在进一步开展研究。

从早期显示管到液晶显示,再到有机发光二极管、柔性薄膜显示屏,显示技术推动信息科技革命,对人类生产生活起到了至关重要的作用。如果说太阳能电池是吸收光产生电,纤维发光器件则是通电发光。彭慧胜团队把发光的高分子活性材料涂附到纤维电极表面,外面再涂附一层薄膜作为另一个电极,从而得到纤维发光器件——纤维聚合物发光电化学池。2015年,Nature在伦敦总部举行的新闻发布会上,评述“这是整个发光领域突破性的重大进展”。但事实上这个工作的应用不光是在发光领域,对其他领域的应用也非常重要。

“希望是美好的,美好的东西永远不会消失”

迄今,彭慧胜团队已经实现了纤维电子器件的储能、发光、发电、显示、传感、治疗、计算、通讯等系列功能。这些纤维器件在电子织物、可穿戴设备、新能源、信息技术、物联网、人工智能、大健康等领域都显示出巨大的应用前景。彭慧胜告诉记者:“如果每一根纤维具有不同功能,可以实现功能的定制,那么从能源系统到信息技术到物联网、人工智能、大健康,以及未来太空探测,它都将发挥重要作用。”

通过进一步定量跟踪,彭慧胜团队发现,把安装有显示器件的织物经过100次机器洗涤后,其发光亮度基本保持不变。也就是说,在洗涤过程中,其稳定性可以稳定、有效地保持。

由此得到的显示织物需要用电,刚好之前彭慧胜团队研制的太阳能电池和锂离子电池完全可以实现自供电,将信息输入输出和控制系统全部进行纤维化以后,他们得到了电子织物显示系统。团队在国际上率先创建出的织物显示器件,使显示器件真正可以像衣服一样被“穿”在身上,轻薄、透气、可贴合于任何不规则基底上。代表性成果 2021 年发表在 Nature 上,被赞誉“树立起了世界电子织物领域一个卓越的里程碑”。

彭慧胜曾在机场里看到一本题为《迪拜的崛起》的书,介绍迪拜如何从一个小渔村发展成为一座国际大都市,他认为其中所述的城市治理方法对科研工作也是很好的借鉴,即:永远不跟别人走;一直要做第一名;从简单、粗糙起步、发展,不为细节所纠缠,永远不放弃希望,直至抵达核心目标。在他看来,科研工作最需要的是不顾一切的勇气和丰富的想象力,并且经常需要直觉。思想比知识更重要。喜爱文学作品的他,很喜欢一句哲言——“跌倒在地上不是失败,失败是跌倒后不再决定爬起来”,也很喜欢电影《肖申克的救赎》中的一句台词:“希望是美好的,可能是最美好的,而美好的东西永远不会消失。”

    “看得多远,才能走得多远。”彭慧胜自己的经历,正是在高远理想的指引下,用百折不挠的毅力于人迹罕至处摘得美丽花朵的历程。这位来自湖南农村的科技工作者,用他不息的脚步,不仅看到了童年书中的世界,还为世界创造着新的知识、新的风景。疫情期间,除了一些实验受条件所限不能如常开展,他带领的团队依然坚持在科研的道路上跋涉。




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3 王涛 武夷山 张晓良

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