切斷后仍可恢復(fù)初始亮度的98.6%：科學(xué)家研發(fā)電致發(fā)光纖維，可用于交互式顯示和抗損傷導(dǎo)航
文章來(lái)源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-12-25 14:37:43
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近日，南昌大學(xué)本科校友、復(fù)旦大學(xué)博士畢業(yè)生、目前正在新加坡國(guó)立大學(xué)從事博士后研究的付雪梅和當(dāng)前所在團(tuán)隊(duì)造出一種交流電致發(fā)光磁性纖維。
該發(fā)光纖維包含三層結(jié)構(gòu)：
內(nèi)層為自愈合鎳復(fù)合材料電極，能夠提供導(dǎo)電性和磁響應(yīng)性；中層為自愈合電致發(fā)光活性層；外層為自愈合吸濕性水凝膠電極，能夠提供導(dǎo)電性和透明性。
付雪梅表示：“本次成果可為纖維電子器件的發(fā)展提供新思路，因?yàn)樵谝酝难芯恐胁还苁墙涣麟娭掳l(fā)光纖維還是其他纖維電子器件，全層自愈合都是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)的功能。”
此外，她和同事通過(guò)構(gòu)建全層自愈合纖維，讓疏水/親水材料和需加熱/不耐熱材料之間的矛盾得以調(diào)和，有望為設(shè)計(jì)基于多材料、多結(jié)構(gòu)的器件帶來(lái)新啟發(fā)。
“相信通過(guò)持續(xù)的材料創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，未來(lái)這種纖維既能以多根形式編織成發(fā)光織物實(shí)現(xiàn)視覺(jué)交互應(yīng)用，也能以單根形式部署到狹窄空間實(shí)現(xiàn)光學(xué)檢測(cè)和反饋功能。”付雪梅表示。
同時(shí)，基于這種纖維的自愈合功能，將在應(yīng)用中極大地減少維護(hù)成本和維護(hù)難度，并能夠延長(zhǎng)器件壽命
據(jù)付雪梅介紹，電致發(fā)光器件——是人類與機(jī)器之間進(jìn)行數(shù)字通信的主要技術(shù)之一。
然而，在使用時(shí)電致發(fā)光器件可能會(huì)遭受機(jī)械損傷，從而導(dǎo)致器件性能下降或失效。而開(kāi)發(fā)具有類似于人類皮膚自愈合功能的電致發(fā)光器件，則有望解決以上問(wèn)題。
此前，付雪梅所在課題組在開(kāi)發(fā)自愈合高介電材料上積累了一定的研究基礎(chǔ)，并通過(guò)平面狀的交流電致發(fā)光器件證明了這類材料的優(yōu)勢(shì)。
從服裝到光通信等多種領(lǐng)域中，纖維都起著重要作用。纖維器件的幾何形態(tài)存在高曲率和小直徑的特點(diǎn)，正因此之前尚未有人在該類器件上實(shí)現(xiàn)交流電致發(fā)光纖維的全層自愈合功能。
這是因?yàn)椋?/span>
在交流電致發(fā)光纖維的多材料多層結(jié)構(gòu)中，由于其表界面擁有較高的曲率，這不僅要求纖維的每一層材料都必須具有自愈合能力，同時(shí)外層電極還得滿足透明性和導(dǎo)電性等要求。而且，各層材料之間還需在制備工藝和愈合條件方面相互兼容以適用纖維形態(tài)。
值得注意的是，纖維本身具有較好的柔韌性，它能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲和扭曲，具備用于狹窄空間的幾何形態(tài)優(yōu)勢(shì)。在此之外，光本身又可以作為信息載體。
因此，假如能夠開(kāi)發(fā)可致動(dòng)的發(fā)光纖維，就有希望實(shí)現(xiàn)能耗更低、靈活度更高、結(jié)構(gòu)更緊湊的發(fā)光機(jī)器人，從而將發(fā)光功能用于交互和反饋。
這時(shí)，發(fā)光纖維所擁有的全層自愈合功能，就能增強(qiáng)機(jī)器人對(duì)于機(jī)械損傷的“抵抗力”。
基于此，付雪梅和所在團(tuán)隊(duì)決定研發(fā)一種可致動(dòng)的全層自愈合發(fā)光纖維，也希望進(jìn)一步地提高器件性能和制備工藝，以便早日和商業(yè)化應(yīng)用實(shí)現(xiàn)接軌。
基于課題組已有的自愈合高介電材料，他們先是設(shè)計(jì)了自愈合電致發(fā)光的活性層和內(nèi)電極。
對(duì)于自愈合高介電材料來(lái)說(shuō)，它已被證明可被用于電致發(fā)光活性層，從而能夠提高平面狀發(fā)光器件的亮度，并能實(shí)現(xiàn)器件的全層自愈合功能。
但是，在纖維狀發(fā)光器件中，這一功能卻從未得到實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)槔w維器件具有較高的曲率，很難實(shí)現(xiàn)成膜均勻性和成膜附著力，因此對(duì)于多材料多層結(jié)構(gòu)的界面親和性要求更高。
在平面狀發(fā)光器件的制備上，人們一般使用刮涂法、旋涂法、絲網(wǎng)印刷法，但是這些方法并不適用于纖維器件。
而當(dāng)使用噴涂法和浸涂法這兩種方法時(shí)，在纖維表面通常存在材料流動(dòng)、成膜不均和附著力弱的難題。
為此，他們?cè)O(shè)計(jì)出一種相分離機(jī)制驅(qū)動(dòng)的同軸濕法紡絲方法。在這一方法的幫助之下，不僅能夠制備出來(lái)自愈合電致發(fā)光活性層，也能制備出來(lái)內(nèi)電極。
此外，所使用的自愈合高介電材料能夠同時(shí)作為兩層材料的基質(zhì)，從而能夠分別針對(duì)電致發(fā)光粉和鐵磁導(dǎo)電粉加以復(fù)合，進(jìn)而解決附著力、成膜均勻性和界面親和性等問(wèn)題。
隨后，付雪梅等人開(kāi)始設(shè)計(jì)外電極層。對(duì)于這種外電極層來(lái)說(shuō)，它需要具備自愈合、高導(dǎo)電和高透明特點(diǎn)，并能在纖維形態(tài)的自愈合高介電材料表面實(shí)現(xiàn)均勻成膜。
該團(tuán)隊(duì)所使用的自愈合高介電材料是一種疏水型氟聚物。在采用氟聚物來(lái)設(shè)計(jì)自愈合外電極時(shí)，他們面臨著透明性和導(dǎo)電性難以兼顧的難題。
為了解決這一問(wèn)題，他們?cè)O(shè)計(jì)出一種水凝膠電極。考慮到氟聚物纖維表面具有疏水和高曲率的特點(diǎn)，為了讓水凝膠電極能夠在氟聚物纖維表面上實(shí)現(xiàn)均勻成膜，課題組利用鹽溶液針對(duì)氟聚物纖維進(jìn)行預(yù)處理。
這樣一來(lái)，就能讓其實(shí)現(xiàn)良好的界面潤(rùn)濕，從而可以最大程度地利用離子來(lái)誘導(dǎo)凝膠化，進(jìn)而在氟聚物纖維上形成更均勻的水凝膠層。
要想實(shí)現(xiàn)纖維的全層自愈合，不僅需要每層材料都具備自愈合能力，也需要每一層材料都能在自愈合條件下實(shí)現(xiàn)兼容。
而采用加熱的方式盡管能夠促進(jìn)氟聚物的自愈合，但是會(huì)導(dǎo)致水凝膠失水進(jìn)而導(dǎo)致性能下降。
同時(shí)，他們注意到新鮮制備出來(lái)的自愈合水凝膠往往具有很高的自粘性，以至于會(huì)讓發(fā)光纖維發(fā)生粘連，同時(shí)也會(huì)讓發(fā)光纖維因?yàn)槭В@非常不利于纖維的規(guī)模化和穩(wěn)定性。
于是他們決定不再使用新鮮的水凝膠，而是將水凝膠放置于自然條件下干燥之后再使用。
此外，他們還針對(duì)水凝膠配方加以優(yōu)化，不僅降低了水凝膠干燥之后的粘連性，并讓導(dǎo)電性和自愈合性仍能滿足要求。
采用這種方法制備出來(lái)的水凝膠還具備吸濕性，在 50℃ 的條件之下加熱 9 天之后，仍能通過(guò)吸收空氣中的濕氣來(lái)恢復(fù)加熱之前的含水量和電導(dǎo)率。
即在吸濕性水凝膠電極的幫助之下，當(dāng)恢復(fù)到室溫條件之后可以起到吸濕作用，從而恢復(fù)加熱之前的含水量和導(dǎo)電率，進(jìn)而解決外層水凝膠電極與內(nèi)部氟聚物纖維之間的自愈合條件不兼容難題。
日前，相關(guān)論文以《自愈合可致動(dòng)的電致發(fā)光纖維》（Self-healing actuatable electroluminescent fibres）為題發(fā)在 Nature Communications[1]，付雪梅是第一作者，新加坡國(guó)立大學(xué)鄭志強(qiáng)教授擔(dān)任通訊作者。
未來(lái)，付雪梅等人計(jì)劃通過(guò)材料創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)纖維磁致運(yùn)動(dòng)的精確控制，同時(shí)也將基于本次纖維構(gòu)建光學(xué)傳感織物，從而實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)功能。
另外，付雪梅已經(jīng)有回國(guó)發(fā)展的打算，其希望未來(lái)能夠如愿找到合適的職位，并希望繼續(xù)研究纖維電子學(xué)的交叉課題。 |
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