研究人员对摩擦电玄武岩纺织品进行高温火焰煅烧实验。受访者供图

■本报记者 王敏

拍打衣服，它就会“发电”，可以当充电宝给智能手表或手机充电。更厉害的是，即使遇到火灾，衣服也“毫发无伤”，甚至穿戴者可以通过拍打衣服向救援人员发送求救信号。

这件有“魔力”的衣服正是安徽农业大学教授龚维团队及合作者的最新作品——摩擦电玄武岩纺织品。相关研究成果近日发表于《先进材料》。

石头可以制衣服，衣服还会“发电”，其中的科学原理是什么？什么时候能真正应用到生活中？近日，《中国科学报》记者就相关问题采访了龚维。

点“石”成衣

“玄武岩是一种常见的、普通的铺路石料，在地球和月球上的含量都很丰富。经过特殊手段处理后，玄武岩能改变形态，变成一种泛着金属光泽的高性能纤维材料——玄武岩纤维。更可贵的是，制造玄武岩纤维的过程中基本没有有害物质排放，对环境污染很小。”龚维介绍。

事实上，我国已把玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维材料之一，实现了工业化生产。

“但目前，玄武岩纤维的应用主要体现在复合材料增强上。”龚维说，例如，将玄武岩纤维用于混凝土中，可提高材料的结构强度和耐久性；在航空航天和汽车工业中，用于制造轻量化和高强度的复合材料部件；在海洋工程中，用于制造耐腐蚀材料；在建筑和土木工程中，广泛用于防火板和隔热材料。

此次工作中，龚维等人大胆创新，以模拟月壤为原材料，生产出可定制化的玄武岩纤维，进而制备出一种摩擦电玄武岩纺织品。

“采用模拟月壤是为后续使用真实月壤做铺垫。我们希望未来能够在月球上就地取材，制备出月球基地所需的建筑材料。”龚维强调，地球上的玄武岩可达到类似效果。

摩擦起电是人们日常生活中的常见现象，摩擦电玄武岩纺织品正是利用了这一效应。“我们在玄武岩纤维中添加了一种聚酰亚胺纤维。当两种不同的纤维接触发生摩擦时，可以将人体运动产生的能量转化为电能。”龚维解释。

除了会“发电”外，他们还开发了一种可穿戴极端温度报警系统。在火灾现场，穿戴者可通过拍打衣服，实时向救援人员传递警示信号，表明他们的存在和位置。

经过一系列实验证明，这种新型纺织品可以在极端高温（520摄氏度）或极端低温（零下196摄氏度）环境中发电，未来有望应用于高低纬度、高海拔、沙漠甚至太空等极端环境。

苛刻的温度要求

把坚硬的石头变成衣服，还是会“发电”的衣服，并非易事。

从玄武岩到纤维需要经过熔融和拉丝两个过程：先把大块玄武岩放置在1500摄氏度下熔融2至4小时，碎成均匀的小颗粒，再把小颗粒置于纺丝设备中，在1350摄氏度下拉制成玄武岩单丝。

“这两个过程对温度的要求非常苛刻。”龚维说，在熔融阶段，温度不够高，玄武岩可能没有完全熔化，还有小颗粒掺杂在里面，很容易出现气泡、结石，形成新的颗粒；在拉丝阶段，熔融温度太高，玄武岩熔体的黏度会下降，降低拉丝效率及纤维强度。

除了温度外，拉丝的速度也会影响玄武岩纤维质量。“刚出的丝就像婴儿出生时那么脆弱，需要小心呵护，如果用力过大就会把丝拉断；等‘婴儿’长大，则需要加快速度，给它一个牵伸的力，促使它成长。”龚维说。

为了提高玄武岩纤维品质，研究人员对熔融、拉丝温度和技术进行了大量攻关研究，其间经历过无数次的失败和尝试。

实现真正可穿

让摩擦电玄武岩纺织品真正可穿，是研究团队下一步要解决的问题。

龚维介绍：“我们设想在玄武岩纤维成型之后，通过涂油器在纤维表面涂覆一层浸润剂，增强纤维的柔软度、强度，即俗称的给纤维‘上油’；或是在玄武岩单丝外面包裹一层柔软度好的舒适性纤维。”

随着科学技术的不断发展，当今的纺织品已不再局限于满足日常生活需求。龚维的终极目标是，从服装角度出发，把一切可戴的电子产品全部做成可穿的。

因此，在解决摩擦电玄武岩纺织品可穿的问题后，他们将提高衣服的发电效率，同时进行更多的电子化设计。

“例如，目前衣服的发电效率比较低，只能用于手表或手机的应急充电。又如，可穿戴极端温度报警系统的信号传递是有线的，未来希望做到无线，以提升纺织品器件的信号稳定性与人体舒适性。”龚维期望在衣服上“做文章”，实现更多功能。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1002/adma.202401359