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　　本報記者 王小龍

　　時下隨處可見的智慧手錶和健身手環已成為一種時尚配件，讓不少人愛不釋手。但受制于尺寸，這些設備的電池容量和待機時間都十分有限。

　　日前，美國麻省理工學院和加拿大英屬哥倫比亞大學的研究人員開發出的一種柔性超級電容，或許能讓這種狀況成為歷史，為智慧手錶和可穿戴設備來帶一個更具想像空間的未來。發表在《ACS應用材料與界面》雜誌上的相關論文對此進行了大膽預測。

　　神奇化學元素鈮

　　這種方法的核心是一種用鈮奈米線製成的高性能超級電容。支援的設備種類包括智慧手錶、心率感測器、電腦以及智慧手機等。此外，這種大功率、小體積的設備還有望在微型自主機器人上獲得應用。

　　鈮是一種具備良好超導性能的金屬元素，在地球上儲量豐富。在多種具備超導性能的元素中，鈮是臨界溫度最高的一種。

　　因其獨特的電氣性能，鈮常被用來製造電容。鈮電容與同體積的其他電容相比，具有容量更大、工作溫度範圍更寬、使用壽命更長的特點。目前已經在電腦、雷達、導彈、飛機的電路中大量使用。

　　此外，這種材料還具備極好的抗腐蝕性和生物相容性，不會與人體裏的各種液體物質發生作用，不僅能用來製造醫療器械，還能用來縫合神經，甚至一些鈮材料還能代替受損的骨頭和關節，就算是被植入人體也沒有任何問題。

　　碳奈米材料勁敵

　　過去十年，科學家一直都在努力尋找能夠製造高性能超級電容的材料。當前最為熱門的材料非碳奈米管和石墨烯莫屬，但科學家們對其導電率仍不滿意。

　　在這項研究中，由麻省理工學院機械工程學教授伊恩·W·亨特、博士生賽義德·M·麥瓦克力和加拿大英屬哥倫比亞大學的三位研究人員組成的研究小組，經過多次實驗，最終選定了鈮奈米線。麥瓦克力和他的同事通過實驗證明，高能量密度並非碳奈米材料所獨有，鈮奈米材料或許是一種更好的選擇。

　　新研究採用了一種用鈮奈米線製成的紗線來製造超級電容。單根鈮奈米線的直徑僅為140奈米，相當於人類髮絲直徑的千分之一。

　　與碳奈米材料相比，新材料具有許多獨到的優勢。首先，這種材料是高度柔性的，能被編織成織物，做成各種形狀，能更好地滿足製造可穿戴設備的需要；其次，與碳奈米材料相比，鈮奈米線強度更好，導電率也比這些材料高100倍以上。此外，鈮還具有高達2500攝氏度的熔點，這使由它製成的超級電容完全能夠用於各種苛刻的高溫環境，並具備極好的使用壽命。經過對比，在同樣的體積內，鈮基超級電容器能夠存儲比碳那奈米管材料多5倍的電能。更具吸引力的一點是，由於在自然界中的含量較為豐富，鈮奈米線超級電容的成本也會比較便宜。

　　可穿戴設備福音

　　研究人員稱，對於體積小巧的智慧設備和可穿戴設備而言，要大幅提升續航時間，一個選擇是採用電池和超級電容的組合。這樣的組合將讓便攜設備的設計更加輕鬆。由於新的奈米線超級電容在性能上遠超目前的電池，而且佔用的體積極少，有望顯著減少設備的尺寸。

　　麥瓦克力説：“在可穿戴設備領域，消費者對産品的尺寸特別敏感。如果你有一個蘋果手錶，重量減少30%你或許感覺不會特別明顯。但如果變薄30%將能給你帶來完全不同的感受。”

　　這種改變在小型設備中的價值尤為突出。亨特説：“目前的電池有不少問題，要麼存儲效率比較低下，要麼在小尺寸下太過複雜。我們的技術剛好站在體積和電能的平衡點上，能在較小的體積記憶體儲較大的電能。”

　　澳大利亞臥龍崗大學工程學教授傑夫斯·平克斯説，對未來的智慧布料和可穿戴技術而言，這項工作意義非凡。這項研究具有很強的説服力，足以讓人認識到鈮基纖維超級電容器驚人的表現。

　　到目前為止，這種材料只能在實驗室小規模生産。研究人員稱，目前他們已經開始嘗試製造出一種更加實用、更易於大規模生産的版本。相信在不遠的將來，小小的鈮奈米線，必將讓可穿戴設備綻放出新的光彩。