廈門大學蔡端俊教授團隊在彩色輕質導電紡織物研究中取得重要進展

研究背景：

電子紡織品是一項新興的發展方向，被視為構建新一代可穿戴織物類電子器件的重要基本單元。但是在使紡織物導電化的過程中通常會以犧牲織物原本特性，如顏色、柔軟度或光澤度等為代價，現有的導電紡織物都呈黑色或者灰色，或導電性、穩定性有待提高，嚴重影響其在可穿戴電子器件中的發展。近年來，研究者們也一直致力于優化紡織物導電化的方法，但彩色輕質的、高穩定性的導電紡織線至今一直無法實現。

成果掠影：

近日，廈門大學蔡端俊教授團隊和美國杜克大學Benjamin J. Wiley教授團隊合作在Advanced?Science期刊發表了題為“Colorful Conductive Threads for Wearable Electronics: Transparent Cu-Ag Nanonets”的最新研究成果論文。該論文提出了一種簡單有效的方法合成高質量的銅-銀核殼結構納米線，并開發了一種揮發性溶液浸涂的工藝，快速制備彩色輕質的導電紡織線，且該方法適用于制備各種材質的導電紡織線。導電紡織線不僅在保留織物原有特性的情況下具有優異的導電線，還具有高的機械穩定性、耐水洗和可縫紉的特性，在各種可穿戴電子紡織品，如織物加熱器、觸摸屏手套、溫度傳感器和新型保暖織物中均表現出優異的性能，在新一代可穿戴電子器件中展現了巨大的應用潛力。

核心創新點：

該團隊合成高質量的銅-銀核殼結構納米線作為導電材料，根據排水力和粘附力的平衡，開發了一種在揮發性溶液中浸涂的工藝，在室溫下快速制備各種材質的彩色導電紡織線。具體地：（1）利用銅-銀納米線網絡優異的導電性和透光性，使紡織線導電的同時，保留了其原本彩色、柔軟的特性；（2）利用揮發性溶液的黏附性和毛細效應的協同作用，將銅-銀納米線網絡緊緊包裹在紡織線的每一根纖維上，使導電紡織線具有優異的機械穩定性和耐水洗特性；（3）相同的浸涂工藝也適用于制備導電紡織布，且導電紡織布的電阻溫度系數可達0.0589?℃^-1，比塊體銅或銀高出約15倍，制得的溫度傳感系統響應時間僅需3?s，溫度誤差僅為 ±0.3?℃，滿足ASTM E1965中溫度計的誤差要求；（4）利用銅-銀納米線高的紅外反射特性，制備了可減少14.8%功率損耗的新型保暖織物，也展現出了導電紡織布在紅外隱身衣中的應用潛力。

數據概覽：

圖1?Cu?NWs（a），Cu-Ag?NWs（b）的SEM圖，（b）中插圖是Cu-Ag?NWs的高倍SEM圖；（c）Cu-Ag?NWs的EDS元素能譜圖；（d）通過浸涂Cu-Ag?NWs油墨制備導電線的過程；（e）包覆不同層數Cu-Ag納米線網絡的導電絲線照片；（f）導電絲線的電阻與包覆Cu-Ag納米線網絡層數的關系；（g）彩色導電線作為導線點亮LED的照片；（h）不同種類的紡織線包覆Cu-Ag納米線網絡后的照片；（i）不同種類的導電紡織線的電阻與包覆Cu-Ag納米線網絡層數的關系。

圖2?（a）包覆不同層數Cu-Ag納米線網絡的魚線在280-800?nm波段的透過光譜；（b）導電絲線的顏色相似度與包覆不同層數Cu-Ag納米線網絡的關系；導電絲線的（c）彎曲，（d）扭曲，（e）水洗-干燥，（f）膠帶測試，（f）中插圖是PDMS/Cu-Ag?NWs導電紡織線的OM圖。

圖3?導電紡織線在（a）衣物，（b）手套上點亮LED的照片；（c）導電紡織線在交流電路中點亮小燈泡的照片；（d）（從左到右）Cu-Ag納米線網絡制備的觸摸屏手套實物圖和用其操作手機的照片，例如：點觸摸、寫字、放大；（e）普通手套實物圖（左）和用其操作手機的照片（右）；（f，g）普通手套和觸摸屏手套的工作原理圖。

圖4?導電絲線制備的加熱環實物圖（a）和紅外熱像圖（b）；（c）10?V電壓下加熱環的溫度隨時間的變化圖；（d）不同長度的導電絲線的電流-電壓圖；（e）不同電壓下導電絲線溫度隨時間的變化圖；（f）導電紡織線的電阻變化率與溫度的關系；（g）溫度傳感器的工作示意圖；（h）溫度傳感器實物圖；（i，j）用溫度傳感器實時監測人體體溫的手機界面圖。

圖5?Cu-Ag納米線網絡的2-D電場分布仿真圖（a）及局部放大圖（b）； 1.2?μm后的Cu-Ag納米線網絡在中紅外波段的透射率仿真曲線（c）和反射率仿真曲線（d）；?（e）空手掌、棉布、導電棉布的實物圖（上）和紅外熱像圖（下）；（f）導電紡織布的示意圖；（g）導電紡織布反射紅外波的示意圖；（h）導電布的能量密度與包覆Cu-Ag納米線網絡層數的關系；（i）交錯的Cu-Ag納米線網絡仿真結構；（j）Cu-Ag納米線網絡的橫截面電場分布圖；（k）不同間距的Cu-Ag納米線網絡在中紅外波段透過率的變化。

成果啟示：

本工作開發了一種在揮發性溶液中浸涂的工藝，可在室溫下快速制備各種材質的彩色輕質的導電紡織線，在織物加熱器、觸摸屏手套、溫度傳感器和新型保暖衣等可穿戴電子器件中均表現出出色的性能，對加快實現新一代可穿戴織物類電子器件的應用具有重要意義。

論文信息：

Yan Tang, Bin Guo, Mutya A. Cruz, Han Chen, Qicheng Zhou, Zefeng Lin, Fuchun Xu, Feiya Xu, Xiaohong Chen*, Duanjun Cai*, Benjamin J. Wiley*, Junyong Kang. “Colorful Conductive Threads for Wearable Electronics: Transparent Cu-Ag Nanonets”, Advanced Science, 2022, 2201111. DOI: 10.1002/advs.202201111.

該論文工作以廈門大學作為第一單位完成，博士生唐燕為第一作者，蔡端俊教授，陳小紅教授和美國杜克大學Benjamin J. Wiley教授為論文通訊作者。該項目獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、福建省科技計劃等項目得資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202201111