朱師兄，誰???
本名朱旻棽，LabGirls的師兄，藝名朱師兄。
現任德國萊布尼茲研究所研究員，德國國家科學院士Prof. OliverG. Schmidt組微米級別儲能器件研究方向的Group Leader。
漫威的各路超級英雄在《無限戰爭》被滅霸收拾的服服帖帖，一半的人類在一個響指之後灰飛煙滅。
Dr. Strange 甚至推演了一千四百萬種可能性，其中只有一條獲勝的方法。
《終局之戰》給出了答案：變小，變小，再變小，直到能進入量子世界，時空穿梭，從而獲得先機。
《蟻人》系列則直接反應了科幻電影對未來科技的一個思考：當我們能變得足夠小並且與環境產生交互的時候，我們能獲得什麼？
回到現實，我們還沒有蟻人的能力，但是已經可以加工出微米尺寸的機器系統。
一個帶有計算功能的傳感器系統可以遠比一粒米小。
一個幾乎看不見的微電子器件可以像機器人一樣行走。
變小之後能量哪裡來？
僅僅是尺寸縮小到微尺度並不能帶來革命性的進步。有賴於人體高效的能量儲存和供應，蟻人變小之後依舊能夠完成超級英雄需要的複雜行為，比如說打擊邪惡，拯救世界。在電子世界，複雜的行為可以通過開發聯結不同的功能模塊實現。
然而，它們說，要有電。首先就需要能量的轉化，比如說，動能，太陽能，化學能。這些能量往往不是持續且穩定的。好比我們不可能通過無時不刻吃東西來保證每天的所需的能量。因此，高效能量儲存也是開發最終形態的微納智能系統的必要條件。儲能太過於高效對我們來說，很可能是個煩惱（看看自己的肚子），而對於電子設備來說卻是個很大的設計挑戰。
怎麼在變小的同時保持高能量密度？
電池是迄今為止使用最多的儲能器件，小到一個耳機，大到卡車，都可以由電池提供能量。但是上文的兩個微型設備，沒有電池。為什麼「臣妾」做不到呢？
首先，加工方式太不一樣了。電子設備依賴於片上微納加工，是這樣的：
電池呢，是這樣的：
不同的加工方式導致了嚴重的材料不兼容性。很多高性能的電池材料不能很簡單的做到片上加工。
在片上，一個基本的電池形態是這樣的：
三明治結構。每一層可以通過微納加工準確地控制尺寸並沉積到片上制定位置。但是，厚度不能太厚，不然會帶來裂紋等問題。由於電量的儲存正比於電極材料的質量，材料的密度又是一個定量，小體積電極限制了電池的儲能能力，也就限制了複雜的高耗能的功能的實現。
我們可以直接加厚電極，但是帶來了緩慢的電荷轉移。通過在厚電極中創造電子高速公路可以一定程度上解決這個問題。或者可以通過堆疊數個薄電極來實現。無論是引入新材料還是新的結構設計，片上加工難度都會陡增，無數的工程問題在前方等待解決。
或者，我們可以改變設計，通過增大電極面積的方法來實現高負載和快速的電荷轉移。成熟的矽片刻蝕方法可以直接實現此類電極設計。增大長徑比可以進一步提高儲能能力。但是又高又瘦的電極柱提高了均勻的材料沉積的難度。
如果我們拆開常見的電池，會發現他們是這樣的：
通過捲曲或者摺疊的方式，增大單位面積/體積的能量。轉移到片上，在微納尺度上，我們怎麼做呢？
Micro-Origami
應力自助裝提供了解法。從薄膜到三維結構，可以最大程度上利用已經成熟的片上薄膜電池的加工方式，同時將最終的產品縮小到所需的尺寸上。
通常來說，材料內應力都會帶來負面作用，比如說裂紋，最終導致失效。但是，內應力也可以作為驅動力來改變器件的結構。通過可編程或者逆向設計的origami方式，將一個二維薄膜最終轉化為三維多層結構，通過有效增加單位面積上材料的負載量帶來儲能能力的提高。
顯然，增長捲曲或者摺疊的距離可以進一步提高性能。知易行難，簡單的原理帶來了比較複雜的材料和結構設計。首當其衝的就是如何避免長距離的origami過程中的偏差。我們手動卷一張紙，隨著圈數越來越多，都很難避免對不齊的情況出現，何況在微納尺度上，沒有內應力意外的矯正機制。一個簡便的方式就是通過磁場矯正薄膜的捲曲行為。
材料的In-Device設計
除了片上微納電池結構的創新，電池材料的引入也需要適應片上加工策略。比如說，如何通過微納加工將電極材料準確地變成相應結構。這一個簡單的問題幾乎排除了所有常見的電極優化策略。片上加工要麼不適應高溫，要麼不能使用過於苛刻的化學合成，都極大限制了電極材料的選用。對於電解液來說，挑戰甚至更大。液態電解液幾乎不能在片上系統中使用。固態電解質在宏觀尺度上尚未被優化到最佳，轉移到微納尺度上，往往性能還會進一步損失。更不論能夠兼容的加工方法。聚合物電解質可以避免一些問題，但是如何在後續的微納加工過程（溶劑中lift-off，真空沉積）保持良好的性能也還需要研究與優化。
綜上所述，開發一個高性能的，片上集成的，微型電池不僅僅需要新穎的電極結構，還需要相應的由器件需求出發又回到器件的材料設計。然而，這兩個方向一定程度上代表了兩個領域：電子工程和先進材料。唯有將兩者的經驗緊密結合，才能設計出所需要的電池，從而最終實現一個energy autonomous的未來智慧系統。
圖丨Nature
#木木西裡#
內容來源：納米人
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