来源：DeepTech深科技
近日，南昌大学本科校友、复旦大学博士毕业生、目前正在新加坡国立大学从事博士后研究的付雪梅和当前所在团队造出一种交流电致发光磁性纤维。
其具备可磁致动、全层自愈合、全方位致动和全方位发光功能。
该纤维的发光亮度高达1068cd/m2，在完全断裂之后仍能通过自愈合功能恢复初始亮度的 98.6%。当处于室内环境条件之下，能将恢复后的亮度稳定保持 10 个月以上。
该发光纤维包含三层结构：
内层为自愈合镍复合材料电极，能够提供导电性和磁响应性；中层为自愈合电致发光活性层；外层为自愈合吸湿性水凝胶电极，能够提供导电性和透明性。
付雪梅表示：“本次成果可为纤维电子器件的发展提供新思路，因为在以往的研究中不管是交流电致发光纤维还是其他纤维电子器件，全层自愈合都是一个颇具挑战的功能。”
此外，她和同事通过构建全层自愈合纤维，让疏水/亲水材料和需加热/不耐热材料之间的矛盾得以调和，有望为设计基于多材料、多结构的器件带来新启发。
“相信通过持续的材料创新和结构创新，未来这种纤维既能以多根形式编织成发光织物实现视觉交互应用，也能以单根形式部署到狭窄空间实现光学检测和反馈功能。”付雪梅表示。
同时，基于这种纤维的自愈合功能，将在应用中极大地减少维护成本和维护难度，并能够延长器件寿命。
（来源：Nature Communications）
打造有“抵抗力”的发光纤维
据付雪梅介绍，电致发光器件——是人类与机器之间进行数字通信的主要技术之一。
然而，在使用时电致发光器件可能会遭受机械损伤，从而导致器件性能下降或失效。而开发具有类似于人类皮肤自愈合功能的电致发光器件，则有望解决以上问题。
此前，付雪梅所在课题组在开发自愈合高介电材料上积累了一定的研究基础，并通过平面状的交流电致发光器件证明了这类材料的优势。
从服装到光通信等多种领域中，纤维都起着重要作用。纤维器件的几何形态存在高曲率和小直径的特点，正因此之前尚未有人在该类器件上实现交流电致发光纤维的全层自愈合功能。
这是因为：
在交流电致发光纤维的多材料多层结构中，由于其表界面拥有较高的曲率，这不仅要求纤维的每一层材料都必须具有自愈合能力，同时外层电极还得满足透明性和导电性等要求。而且，各层材料之间还需在制备工艺和愈合条件方面相互兼容以适用纤维形态。
值得注意的是，纤维本身具有较好的柔韧性，它能够实现弯曲和扭曲，具备用于狭窄空间的几何形态优势。在此之外，光本身又可以作为信息载体。
因此，假如能够开发可致动的发光纤维，就有希望实现能耗更低、灵活度更高、结构更紧凑的发光机器人，从而将发光功能用于交互和反馈。
这时，发光纤维所拥有的全层自愈合功能，就能增强机器人对于机械损伤的“抵抗力”。
基于此，付雪梅和所在团队决定研发一种可致动的全层自愈合发光纤维，也希望进一步地提高器件性能和制备工艺，以便早日和商业化应用实现接轨。
（来源：Nature Communications）
绕开传统做法，意外收获更强功能
基于课题组已有的自愈合高介电材料，他们先是设计了自愈合电致发光的活性层和内电极。
对于自愈合高介电材料来说，它已被证明可被用于电致发光活性层，从而能够提高平面状发光器件的亮度，并能实现器件的全层自愈合功能。
但是，在纤维状发光器件中，这一功能却从未得到实现。这是因为纤维器件具有较高的曲率，很难实现成膜均匀性和成膜附着力，因此对于多材料多层结构的界面亲和性要求更高。
在平面状发光器件的制备上，人们一般使用刮涂法、旋涂法、丝网印刷法，但是这些方法并不适用于纤维器件。
而当使用喷涂法和浸涂法这两种方法时，在纤维表面通常存在材料流动、成膜不均和附着力弱的难题。
为此，他们设计出一种相分离机制驱动的同轴湿法纺丝方法。在这一方法的帮助之下，不仅能够制备出来自愈合电致发光活性层，也能制备出来内电极。
此外，所使用的自愈合高介电材料能够同时作为两层材料的基质，从而能够分别针对电致发光粉和铁磁导电粉加以复合，进而解决附着力、成膜均匀性和界面亲和性等问题。
随后，付雪梅等人开始设计外电极层。对于这种外电极层来说，它需要具备自愈合、高导电和高透明特点，并能在纤维形态的自愈合高介电材料表面实现均匀成膜。
该团队所使用的自愈合高介电材料是一种疏水型氟聚物。在采用氟聚物来设计自愈合外电极时，他们面临着透明性和导电性难以兼顾的难题。
为了解决这一问题，他们设计出一种水凝胶电极。考虑到氟聚物纤维表面具有疏水和高曲率的特点，为了让水凝胶电极能够在氟聚物纤维表面上实现均匀成膜，课题组利用盐溶液针对氟聚物纤维进行预处理。
这样一来，就能让其实现良好的界面润湿，从而可以最大程度地利用离子来诱导凝胶化，进而在氟聚物纤维上形成更均匀的水凝胶层。
要想实现纤维的全层自愈合，不仅需要每层材料都具备自愈合能力，也需要每一层材料都能在自愈合条件下实现兼容。
而采用加热的方式尽管能够促进氟聚物的自愈合，但是会导致水凝胶失水进而导致性能下降。
（来源：Nature Communications）同时，他们注意到新鲜制备出来的自愈合水凝胶往往具有很高的自粘性，以至于会让发光纤维发生粘连，同时也会让发光纤维因为失水而失效，这非常不利于纤维的规模化和稳定性。
于是他们决定不再使用新鲜的水凝胶，而是将水凝胶放置于自然条件下干燥之后再使用。
此外，他们还针对水凝胶配方加以优化，不仅降低了水凝胶干燥之后的粘连性，并让导电性和自愈合性仍能满足要求。
采用这种方法制备出来的水凝胶还具备吸湿性，在 50℃ 的条件之下加热 9 天之后，仍能通过吸收空气中的湿气来恢复加热之前的含水量和电导率。
即在吸湿性水凝胶电极的帮助之下，当恢复到室温条件之后可以起到吸湿作用，从而恢复加热之前的含水量和导电率，进而解决外层水凝胶电极与内部氟聚物纤维之间的自愈合条件不兼容难题。
日前，相关论文以《自愈合可致动的电致发光纤维》（Self-healing actuatable electroluminescent fibres）为题发在 Nature Communications[1]，付雪梅是第一作者，新加坡国立大学郑志强教授担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）未来，付雪梅等人计划通过材料创新和结构创新，力争实现纤维磁致运动的精确控制，同时也将基于本次纤维构建光学传感织物，从而实现健康监测功能。
另外，付雪梅已经有回国发展的打算，其希望未来能够如愿找到合适的职位，并希望继续研究纤维电子学的交叉课题。
参考资料：1.Fu, X., Wan, G., Guo, H. et al. Self-healing actuatable electroluminescent fibres. Nat Commun 15, 10498 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53955-2
排版：刘雅坤
“掌”握科技鲜闻 （微信搜索techsina或扫描左侧二维码关注）
