復旦大學彭慧勝Chem. Rev.：從功能纖維材料到智能纖維器件

導讀

纖維材料，也稱紡織材料，是一種常用的結構化材料。纖維材料的應用歷史悠久，人類文明的進步總是伴隨著纖維材料的發展。自古以來，纖維材料主要用于編織衣服，保持溫暖。近幾個世紀以來，材料科學和其他學科的不斷交叉融合發展，賦予了纖維全新的功能，包括能量轉化與存儲、顯示、傳感和無線通訊。纖維獨特的一維結構，也賦予以其構建的電子設備全新的特點，包括小型化、輕量化、自供電、可穿戴等。此外，通過適當的設計和修飾。智能纖維還具有良好的組織相容性、生物診斷和治療功能。智能纖維在可穿戴和可植入領域擁有巨大的應用潛力。

成果掠影

近日，復旦大學彭慧勝教授團隊系統綜述了智能纖維器件的發展歷程和最新的研究成果。該綜述首先回顧了近十年纖維材料的發展歷史，并根據其功能進行了分類，然后討論了纖維材料的基礎知識和智能纖維器件的設計策略，并對近年來智能纖維器件的發展進行了全面而深入的分析。最后，該工作總結了該領域目前面臨的挑戰，并對未來的研究方向進行了展望。該研究成果以題為”Functional Fiber Materials to Smart Fiber Devices” 發表在國際著名期刊CHEMICAL REVIEWS上。

數據概覽

圖1. 近十多年纖維器件的主要發展時間表和分類。

圖2. a）智能纖維器件的典型制備步驟；b）連續構建纖維鋰離子電池的示意圖。

圖3. a）一步擠壓法制備智能纖維器件的工藝、核心技術和設備；b）通過一步擠壓法連續制備纖維鋰離子電池的示意圖。

圖4. 同軸、并行、扭曲和交叉四種類型的纖維器件中電荷傳輸路徑。

圖5.a-f）多尺度組裝制備的螺旋纖維電極以及纖維內部多尺度孔隙的SEM照片；g-h）螺旋纖維電極穩定活性材料的示意圖。

圖6. 平面器件、纖維器件以及具有多孔道纖維電極之間的電場分布示意圖。

圖7. 電解液在具有多尺度螺旋結構的纖維電極中快速傳輸的示意圖。

圖8. 典型的染料敏化太陽能電池的示意圖。

圖9. 扭曲纏繞的纖維狀染料敏化太陽能電池的SEM照片。

圖10. 柔性可拉伸的纖維染料敏化太陽能電池結構示意圖和SEM照片。

圖11. 纖維狀聚合物太陽能電池的結構設計示意圖。

圖12. 同軸纖維狀鈣鈦礦太陽能電池的結構設計示意圖。

圖13. 基于ZnO包覆的碳纖維同軸納米發電機結構示意圖。

圖14. 典型的葡萄糖/氧氣生物燃料電池示意圖。

圖15. 三種纖維狀超級電容器的結構示意圖。

圖16. a）纖維狀超級電容器的結構示意圖和b）制備示意圖。

圖17. 高度可拉伸纖維狀超級電容器的性能示意圖和制備示意圖。

圖18. 碳納米管和錳鋅化合物混合制備的纖維狀鋰離子電池的結構示意圖和SEM照片。

圖19. a）含有二氧化錳的纖維狀鋅離子電池的結構示意圖；b）全固態纖維狀鋅空氣電池的工作示意圖。

圖20. 纏繞纖維狀鋰離子電池的等效電路圖和內阻測試。

圖21. 使用熱拉絲技術連續構建纖維狀鋰離子電池的示意圖。

圖22. 含有多個發光二極管的纖維器件的示意圖和實物圖。

圖23. ITO玻璃基有機發光二極管平面器件和纖維狀器件的結構示意圖和實物圖。

圖24. a）發光織物的結構設計和原理圖；b）大面積顯示織物的實物圖；c）織物顯示器件實時反映健康狀態的應用展示。

圖25. 纖維狀電阻式應變傳感器的工作機理。

圖26. a）通過纖維網絡實現多反射的紫外光結構示意圖；b）鞘芯結構示意圖。

圖27. a）多模態纖維電極熱拉絲工藝照片，b-c）兩種不同的多模態探頭橫截面光學圖像。

圖28. 可膨脹的纖維電極植入大腦的過程示意圖。

圖29. 可穿戴織物傳感器的設計示意圖。

圖30. 用于多巴胺監測的植入式纖維傳感器和測試信號。

圖31. a）不同軟組織與碳納米管纖維的彎曲剛度比較示意圖；b）多壁碳納米管的TEM和SEM照片；c）用于測試H₂O₂的五個纖維狀傳感器的纏繞組裝。

圖32. a）用于葡萄糖監測的熒光纖維傳感器的注射示意圖；b）注射時和注射后第31天發光對比；c）植入140天后監測到的葡萄糖濃度。

圖33. a）DNA橋接的纖維狀憶阻器的設計示意圖；b）憶阻器開關過程的機理。

圖34. 纖維狀超級電容器和電池的一體化集成。

圖35. a）用于能量采集的織物照片；b）由顯示器、電源和信息輸入單元組成的電子織物；c）由纖維狀鋰離子電池供電的織物顯示器和傳感器綜合系統；d-e）纖維傳感器對鈉離子和鈣離子的濃度檢測結果。

成果啟示

智能纖維器件獨特的優點，使其有望成為個性化定制智能系統的有利候選。目前，智能纖維器件在人機交互智能界面、可穿戴、可植入等方面都具有重要的應用前景。然而，大多數研究目前仍處于早期階段。這些智能纖維器件要想實現規模應用并改變人類社會，還有很長的路要走。該團隊基于其在該領域多年的深耕，提出了如下幾個需要重點考慮的方面：

1）安全方面：在實際應用中，安全是首要考慮的因素，無論是可穿戴設備，還是柔性智能電子織物，其材料都面臨著穩定性的考驗，在動態應力環境中，纖維能保持其結構特性，并通過封裝防止活性材料泄露，可有效避免生物毒性。

2）性能提升：雖然近十多年來，智能纖維器件的性能穩步提升，但其性能仍低于目前更為成熟的平面器件。無論是在能量存儲方面，還是在發光顯示器領域，智能纖維器件在平衡其結構和性能方面還有很長的路要走。

3）標準化的評估方法：作為一個新興的領域，如何評估智能纖維器件的各項性能指標仍不明確，因此，各類纖維器件之間的性能比較便難以有效開展。纖維器件領域要想邁向商業化的發展，必須要建立一個通用的測試標準和評估系統。

4）集成：纖維器件的集成可使得整體的器件具有多種多樣的功能，特別是能源供應器件與功能執行器件之間的耦合，實現一體化系統的集成，對于提升器件的應用具有重要的意義。

5）規模化制備：纖維器件的規模化制備是其邁向廣泛應用的關鍵一步。如何量產高性能纖維器件，是目前學術界和工業界均面臨的一個問題。

總而言之，智能纖維器件在過去一段時間里取得了巨大的進展，人們有充分理由相信，隨著科技的不斷發展，智能纖維將向大規模實際應用快速邁步，顯著提高未來人類生活的質量。