科学家意外发现一种新材料 让电池充电速度大幅提升

有不少的情况下，一些我们熟知而且非常著名的科学发现都是在偶然情况下发生的。从特氟隆到微波炉，再到青霉素，当科学家们试图解决一个问题的时候，有时好会发现更多意想不到的新成果。而这正是科学家最近创造磷纳米带的情况，这是一种由宇宙的基本组成单元之一而组成的材料，但它有可能彻底改变一系列我们现在已经被广泛采用的技术。

科学家们一直试图将磷晶体层分离成二维薄片。相反而在这个过程中，科学家们却同时创造出了一种微小、像鞋带一样的带状结构，它只有一个原子那么厚，并且虽然只有100个左右的原子构成，但是却有10万个原子那么长。在宣布科学家们的发现之前，已经花了三年时间对它的生产过程进行了钻研。

二维色带具有许多显著的性质，它们的长宽比几乎与横跨金门大桥的缆索相同。同时它们还有令人难以置信的均匀性和可操控的宽度，使得它们的特性更加充分的发挥，比如是否导电以及如何导电，所有性质都可以被微调。同时它们还非常灵活，这意味着可以完美的跟随任何表面的轮廓进行贴合，甚至可以被弯曲和扭曲。

变革的潜力

目前已经有超过100篇的科学论文预测了这些纳米带所带来变革的潜力，如果有可能在一系列技术上创造出它们被描述中的应用，那么其中一些甚至比我们发表在《自然》杂志上的发现成果早了5年。

也许其中最重要的是就是在电池技术领域的运用。磷烯纳米带的波纹结构意味着作为电池动力的带电离子移动速度将很快达到目前可能达到速度的1000倍左右。这就意味着电池的充电时间可以显著减少，同时容量也会增加大约50%左右。这样的充电性能提升将为电动汽车和飞机行业做出巨大的贡献，并使我们能够更好的利用可再生能源，消除对化石燃料的依赖，即使是在天气阴沉、无风的日子里，也有更多的能源可用。

这也意味着在未来，电池可以使用钠离子而不是锂离子进行电量交换。目前已知的锂储量媒介可能无法满足预期中对电池需求的大幅增长，而提取这种金属可能对环境也有害。相比之下，钠元素的含量丰富且价格低廉。

另外，还有电子领域或许也要感谢纳米带的出现。根据摩尔定律指出，计算机处理能力每隔两年就会翻一番，但随着材料的物理的极限越来越接近，这一速度有放缓的危险。使用像我们这样的二维材料可以重新定义这些限制的上限，让我们能够制造出体积更小、速度更快的设备。

纳米色带还可以解决这一领域的另一个主要障碍，也就是如何在连接处不产生更大的电阻(减少因此造成能量损失)的情况下用电来连接纳米材料。几层厚的磷酸二烯纳米带可以被无缝的分割成不同高度和电性能的带状结构，绕过了通常使用的连接工程要求。正因为如此，通过这项技术，我们期望中的高效率太阳能电池现在也更接近于成为现实。

磷烯纳米带的柔韧性和热电特性意味着它们也可以嵌入到可穿戴织物中，并将余温转化为有用的电能。例如，我们很快就能看到具有热电功能的T恤，它的功能就像心脏和血糖水平监测器，而所有这些都是由我们的提问单独驱动。

另外，这项技术还可以释放氢元素作为一种高效低碳燃料的潜力。这种气体在水中的含量丰富，提取时只能产生氧气为副产品。然而迄今为止，科学家们一直未能找到一种成本更低廉的方法。水分子虽然可以通过光的催化来分解，但这种方法需要一种能吸收大量光能的材料，而且这种材料的能量特性与水可以很好的匹配。根据科学家预测，这种2D纳米带可以恰好具有这些性质，而且具有高表面积，可以最大限度地与水接触，这使它成为解决产生氢气难题的一个风非常有希望的候选材料。

令人欣喜的是，磷烯纳米带已经在商业化的道路上克服了面临的主要障碍。对于大多数新型材料来说，找到一种像我们这样的可扩展应用场景而且量产的方法需要数年的时间，而有些则从未见过与外界见面。此外，磷是地壳中相对丰富且容易提取的物质。而且，由于我们对色带的应用已经在液体中形成，我们可以很容易地生产出磷元素油墨或油漆，通过使用低成本的方法，如喷绘或喷墨印刷，大规模地操纵这种色带。

然而，生产这些色带只是上述技术改革的第一步。现在科学家需要进行大量的研究来验证在理论上的预测，并研究色带的性能在多大程度上可以适应特定的应用场景。通过特氟隆、锂电池和维可牢尼龙搭扣20多年的发展历程告诉我们，一项技术从被发现到实际使用，其实要经过非常漫长的道路。但随着现代社会对化石燃料越来越远离，我们预计这条路很快就会步入正轨。

本文是由伦敦大学学院副教授克里斯·霍华德(Chris Howard)和博士生米奇·沃茨（Mitch Watts）在知识共享许可下对伦敦大学学院的多层黑磷进行生产、表征和模拟的对话中重新发表的论文。