复旦大学彭慧胜Chem. Rev.：从功能纤维材料到智能纤维器件

导读

纤维材料，也称纺织材料，是一种常用的结构化材料。纤维材料的应用历史悠久，人类文明的进步总是伴随着纤维材料的发展。自古以来，纤维材料主要用于编织衣服，保持温暖。近几个世纪以来，材料科学和其他学科的不断交叉融合发展，赋予了纤维全新的功能，包括能量转化与存储、显示、传感和无线通讯。纤维独特的一维结构，也赋予以其构建的电子设备全新的特点，包括小型化、轻量化、自供电、可穿戴等。此外，通过适当的设计和修饰。智能纤维还具有良好的组织相容性、生物诊断和治疗功能。智能纤维在可穿戴和可植入领域拥有巨大的应用潜力。

成果掠影

近日，复旦大学彭慧胜教授团队系统综述了智能纤维器件的发展历程和最新的研究成果。该综述首先回顾了近十年纤维材料的发展历史，并根据其功能进行了分类，然后讨论了纤维材料的基础知识和智能纤维器件的设计策略，并对近年来智能纤维器件的发展进行了全面而深入的分析。最后，该工作总结了该领域目前面临的挑战，并对未来的研究方向进行了展望。该研究成果以题为”Functional Fiber Materials to Smart Fiber Devices” 发表在国际著名期刊CHEMICAL REVIEWS上。

数据概览

图1. 近十多年纤维器件的主要发展时间表和分类。

图2. a）智能纤维器件的典型制备步骤；b）连续构建纤维锂离子电池的示意图。

图3. a）一步挤压法制备智能纤维器件的工艺、核心技术和设备；b）通过一步挤压法连续制备纤维锂离子电池的示意图。

图4. 同轴、并行、扭曲和交叉四种类型的纤维器件中电荷传输路径。

图5.a-f）多尺度组装制备的螺旋纤维电极以及纤维内部多尺度孔隙的SEM照片；g-h）螺旋纤维电极稳定活性材料的示意图。

图6. 平面器件、纤维器件以及具有多孔道纤维电极之间的电场分布示意图。

图7. 电解液在具有多尺度螺旋结构的纤维电极中快速传输的示意图。

图8. 典型的染料敏化太阳能电池的示意图。

图9. 扭曲缠绕的纤维状染料敏化太阳能电池的SEM照片。

图10. 柔性可拉伸的纤维染料敏化太阳能电池结构示意图和SEM照片。

图11. 纤维状聚合物太阳能电池的结构设计示意图。

图12. 同轴纤维状钙钛矿太阳能电池的结构设计示意图。

图13. 基于ZnO包覆的碳纤维同轴纳米发电机结构示意图。

图14. 典型的葡萄糖/氧气生物燃料电池示意图。

图15. 三种纤维状超级电容器的结构示意图。

图16. a）纤维状超级电容器的结构示意图和b）制备示意图。

图17. 高度可拉伸纤维状超级电容器的性能示意图和制备示意图。

图18. 碳纳米管和锰锌化合物混合制备的纤维状锂离子电池的结构示意图和SEM照片。

图19. a）含有二氧化锰的纤维状锌离子电池的结构示意图；b）全固态纤维状锌空气电池的工作示意图。

图20. 缠绕纤维状锂离子电池的等效电路图和内阻测试。

图21. 使用热拉丝技术连续构建纤维状锂离子电池的示意图。

图22. 含有多个发光二极管的纤维器件的示意图和实物图。

图23. ITO玻璃基有机发光二极管平面器件和纤维状器件的结构示意图和实物图。

图24. a）发光织物的结构设计和原理图；b）大面积显示织物的实物图；c）织物显示器件实时反映健康状态的应用展示。

图25. 纤维状电阻式应变传感器的工作机理。

图26. a）通过纤维网络实现多反射的紫外光结构示意图；b）鞘芯结构示意图。

图27. a）多模态纤维电极热拉丝工艺照片，b-c）两种不同的多模态探头横截面光学图像。

图28. 可膨胀的纤维电极植入大脑的过程示意图。

图29. 可穿戴织物传感器的设计示意图。

图30. 用于多巴胺监测的植入式纤维传感器和测试信号。

图31. a）不同软组织与碳纳米管纤维的弯曲刚度比较示意图；b）多壁碳纳米管的TEM和SEM照片；c）用于测试H₂O₂的五个纤维状传感器的缠绕组装。

图32. a）用于葡萄糖监测的荧光纤维传感器的注射示意图；b）注射时和注射后第31天发光对比；c）植入140天后监测到的葡萄糖浓度。

图33. a）DNA桥接的纤维状忆阻器的设计示意图；b）忆阻器开关过程的机理。

图34. 纤维状超级电容器和电池的一体化集成。

图35. a）用于能量采集的织物照片；b）由显示器、电源和信息输入单元组成的电子织物；c）由纤维状锂离子电池供电的织物显示器和传感器综合系统；d-e）纤维传感器对钠离子和钙离子的浓度检测结果。

成果启示

智能纤维器件独特的优点，使其有望成为个性化定制智能系统的有利候选。目前，智能纤维器件在人机交互智能界面、可穿戴、可植入等方面都具有重要的应用前景。然而，大多数研究目前仍处于早期阶段。这些智能纤维器件要想实现规模应用并改变人类社会，还有很长的路要走。该团队基于其在该领域多年的深耕，提出了如下几个需要重点考虑的方面：

1）安全方面：在实际应用中，安全是首要考虑的因素，无论是可穿戴设备，还是柔性智能电子织物，其材料都面临着稳定性的考验，在动态应力环境中，纤维能保持其结构特性，并通过封装防止活性材料泄露，可有效避免生物毒性。

2）性能提升：虽然近十多年来，智能纤维器件的性能稳步提升，但其性能仍低于目前更为成熟的平面器件。无论是在能量存储方面，还是在发光显示器领域，智能纤维器件在平衡其结构和性能方面还有很长的路要走。

3）标准化的评估方法：作为一个新兴的领域，如何评估智能纤维器件的各项性能指标仍不明确，因此，各类纤维器件之间的性能比较便难以有效开展。纤维器件领域要想迈向商业化的发展，必须要建立一个通用的测试标准和评估系统。

4）集成：纤维器件的集成可使得整体的器件具有多种多样的功能，特别是能源供应器件与功能执行器件之间的耦合，实现一体化系统的集成，对于提升器件的应用具有重要的意义。

5）规模化制备：纤维器件的规模化制备是其迈向广泛应用的关键一步。如何量产高性能纤维器件，是目前学术界和工业界均面临的一个问题。

总而言之，智能纤维器件在过去一段时间里取得了巨大的进展，人们有充分理由相信，随着科技的不断发展，智能纤维将向大规模实际应用快速迈步，显著提高未来人类生活的质量。