弗吉尼亚理(lǐ)工大學(xué)科(kē)學(xué)學(xué)院一名教授希望利用(yòng)储存在飞机外壳内的能(néng)量為(wèi)飞机和汽車(chē)提供动力。他(tā)已经发现了一种方法，利用(yòng)由嵌段共聚物(wù)制成的多(duō)孔碳纤维来实现这一设想。碳纤维是一种高性能(néng)的工程材料，广泛应用(yòng)于航空航天和汽車(chē)工业。其中一个应用(yòng)是豪华車(chē)的外壳，比如梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)、宝马(BMW)或兰博基尼(Lamborghini)。碳纤维是一种细如发丝的碳纤维，具有(yǒu)多(duō)种主要的材料性能(néng)：它们具有(yǒu)机械强度高、耐化學(xué)腐蚀、导電(diàn)、阻燃等性能(néng)，或许最重要的是，它们重量轻。碳纤维的重量提高了燃料和能(néng)源效率，生产更快的飞机和車(chē)辆。化學(xué)系助理(lǐ)教授刘國(guó)梁(Greg Liu)提出了这样一个想法

為(wèi)结构和功能(néng)设计材料
      博科(kē)园-科(kē)學(xué)科(kē)普：创造出不仅在结构上有(yǒu)用(yòng)的碳纤维，它们在功能(néng)上也很(hěn)有(yǒu)用(yòng)。如果能(néng)把它们设计成具有(yǒu)储能(néng)等功能(néng)呢(ne)？如果想让它们储存能(néng)量，需要有(yǒu)放置离子的位置。理(lǐ)想情况下，碳纤维可(kě)以设计成微孔均匀分(fēn)布在各处，就像海绵一样，可(kě)以储存能(néng)量离子。对传统的化學(xué)制备碳纤维的方法进行了改进，现在首次开发出了一种尺寸和间距均相同的多(duō)孔碳纤维的合成方法。其研究成果发表在《科(kē)學(xué)进展》上的一篇高影响力论文(wén)中详细阐述了这项研究工作。制造多(duō)孔碳纤维并不容易，人们已经尝试了几十年，但碳纤维中气孔的质量和均匀性均不理(lǐ)想。在实验室里设计、合成、加工这些聚合物(wù)，然后把它们制成多(duō)孔碳纤维

用(yòng)嵌段共聚物(wù)制备多(duō)孔碳纤维
      使用(yòng)了一种多(duō)步骤的化學(xué)过程，使用(yòng)了两种聚合物(wù)（長(cháng)而重复的分(fēn)子链）称為(wèi)聚丙烯腈(PAN)和聚(丙烯腈块-甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。PAN作為(wèi)碳纤维的前體(tǐ)化合物(wù)，在高分(fēn)子化學(xué)领域非常有(yǒu)名，而PMMA作為(wèi)一种持位材料，随后被去除，形成孔隙。但在过去，其他(tā)化學(xué)家通常将PAN和PMMA分(fēn)别混合到溶液中。这就产生了多(duō)孔碳纤维，但孔径和间距不同。表面积越大，储能(néng)越好。表面积越大，孔隙越小(xiǎo)，孔隙越均匀。聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)结合的新(xīn)想法，创造了所谓的嵌段共聚物(wù)。化合物(wù)聚合物(wù)的一半是PAN，另一半是PMMA，它们在中间成共价键。这是第一次用(yòng)嵌段共聚物(wù)来制造碳纤维，也是第一次用(yòng)嵌段共聚物(wù)制成的多(duō)孔碳纤维来储能(néng)。

    （图示）传统的(A, B)和新(xīn)的(C)方法从各种聚合物(wù)前體(tǐ)合成碳纤维。(一)纯锅实际上電(diàn)纺纤维垫,在280°C在空气中氧化交联锅(蓝色)，然后在800°C正交N2生成碳纤维(灰色)。单个聚合物(wù)纤维(紫色)被放大以作说明。(B) PAN与牺牲的PMMA(红色)混合形成聚合物(wù)共混物(wù)。聚合物(wù)共混物(wù)经氧化后，宏观相分(fēn)离，形成非均匀畴。热解后去除PMMA，气孔不均匀。(C) PAN-b-PMMA嵌段共聚物(wù)微相经氧化自组装后在PAN(蓝色)基體(tǐ)中分(fēn)离成均匀的PMMA纳米结构域(红色)。裂解后的多(duō)孔炭纤维孔隙控制良好，分(fēn)布均匀。图片：弗吉尼亚理(lǐ)工大學(xué).

     通常只是从过程的角度来思考，但在这里，是从材料设计的角度来思考。在实验室合成嵌段共聚物(wù)后，黏性溶液经过三个化學(xué)过程得到多(duō)孔碳纤维。第一步是電(diàn)纺丝，这是一种利用(yòng)電(diàn)力来制造纤维束并使溶液硬化成纸状材料的方法。接下来，刘将聚合物(wù)进行氧化加热。在这一步中，PAN和PMMA自然分(fēn)离并自组装成PAN链和均匀分(fēn)散的PMMA域。最后一步，也就是热解，刘将聚合物(wù)加热到更高的温度。这个过程将PAN固化成碳，去除PMMA，在纤维中留下相互连接的中孔和微孔。

能(néng)量储存的新(xīn)可(kě)能(néng)性
      虽然这一突破改善了已经高性能(néng)的工程材料，但也许更大的突破是能(néng)够使用(yòng)嵌段共聚物(wù)来创建统一的多(duō)孔结构，从而实现能(néng)量存储的可(kě)能(néng)性。这开启了我们设计储能(néng)材料的思路，现在也可(kě)以开始考虑功能(néng)了，不仅使用(yòng)(碳纤维)作為(wèi)结构材料，而且使用(yòng)(碳纤维)作為(wèi)功能(néng)材料。刘國(guó)梁(Greg Liu)2014年加入弗吉尼亚理(lǐ)工大學(xué)(Virginia Tech)以来一直在考虑这个想法，但在2016年通过空军青年研究员项目(Air Force Young调查员Program, YIP)提交了一份获奖方案后，他(tā)开始正式研究这个想法。

    由(左)PAN、(中)PAN/PMMA和(右)PAN-b-PMMA制成的碳纤维的扫描電(diàn)镜图像。实验室使用(yòng)PAN-b-PMMA来制造具有(yǒu)更均匀尺寸和间距孔隙的碳纤维。图片：图片：弗吉尼亚理(lǐ)工大學(xué)