如何让纤维导电？

具有柔性、导电性、高电化学活性的纤维电极是构建纤维电子器件的关键，纤维电极的合理选择有助于实现智能织物的多功能和高性能。一般来说，电子器件都有正极和负极，中间是活性材料，当通电的时候，正极和负极之间会形成电场。在我们的日常生活中，电子器件通常是一个平面，两个平板之间的电场是很均匀的，只要把活性材料涂覆均匀就可以了。而在智能织物中，两根纤维电极之间产生的电场是不均匀的，因为它是一个弯曲的界面。此外，在确保电荷沿长纤维电池长度方向的传输效率以及形变下活性材料与高曲率导电纤维实现稳定相互作用等方面都存在挑战。因此，从平面结构到纤维结构，电极的电场分布、电荷传输和界面均发生明显变化，需要重新研究材料组成和结构设计 ^[2] 。

在选择材料时，我们通常会想到两类导电纤维：一类是金属材料，另一类是高分子材料。对于金属材料，在光滑的金属表面涂覆活性层的负载量有限，在连续弯折变形过程中容易发生碎裂导致活性材料脱落。可以通过在金属纤维上加工形成多级微结构、涂覆与刻蚀等方法来提高纤维电极的比表面积和活性层载量，不过金属的质量比较大。

可能有些人会觉得“高分子材料”这个名词比较陌生，但它在我们生活中无处不在。我们常用的薄膜塑料袋就是高分子材料聚乙烯。乙烯是小分子，它有双键。你可以把一个小分子理解成一个小朋友，当小朋友们把手打开，互相牵着手，小分子就变成了大分子，形成一条链，我们把它叫作“高分子链”，由此得到的材料就是高分子材料。值得注意的是，乙烯是气体，“小朋友们手牵手”变成高分子后，它就变成固体了。所以高分子材料不同于小分子，从化学反应到材料设计再到物理性能等可以有非常多的变化。高分子材料应用十分广泛，大家经常看到的很多东西都是由高分子构成的，我们的身体也是由高分子构成的，这非常有趣。高分子材料通常包括塑料、橡胶和纤维等，而高分子纤维已广泛应用于织物中。高分子纤维具有结构设计多样、化学稳定性好、柔韧性高和轻便等特点，但导电性能通常不好，因此我们可以用它与导电性良好的其他材料，如碳纳米管协同构建复合材料。

碳纳米管于1991年被人类首次发现。它是一种具有特殊结构的一维材料，即由呈六边形排列的碳原子（每一个点就是一个碳原子）构成的管状结构，其径向尺寸为纳米级，具有良好的导电性。碳纳米管是一个非常有趣的材料，它的质量只有钢的1/10，但是它的强度是钢的20倍。如今我们想把人送到太空中去，一般都是使用火箭。其实还有一种途径，有时出现在科幻小说里，就是“人造太空天梯”。后来也有科学家从理论上推测，可以造一部电梯把人类从地球送到太空中去。但技术上怎么做到？难在哪里？很难的是要有足够长的缆绳连接地球和太空，即找到制造天梯的材料。也许大家会想到耳熟能详的钢丝，但是有一个最重要的参数叫“自支撑长度”，钢丝无法满足要求，当钢丝的长度达到54千米时，它就会自己断掉。所以这种材料必须能够克服自重，也就是要足够轻和足够强。根据目前掌握的信息，人们发现碳纳米管可以满足上述要求。这里我们探讨的碳纳米管，典型直径在几纳米，长度在几百微米，碳纳米管之间的相互作用虽然非常弱，但是在纳米尺度上，它的累积效应可以有效地把很小的碳纳米管连接成长纤维。在碳纳米管纤维中，取向和有序的碳纳米管排列结构可以更有效地将单根碳纳米管优异的物理性能扩展到宏观层面，如具有较高的比表面积、力学强度和柔韧性，可以耐受弯曲和拉伸，还具有较高的电导率。因此，碳纳米管纤维是一种较为理想的纤维电极材料。 9IUUFI3WCojm7kTOgfUTcXthXuug7zKsQQJGbtrocYEU7jORQAemrwDtKnBXYN1W