近日，南昌大學本科校友、復旦大學博士畢業生、目前正在新加坡國立大學從事博士後研究的付雪梅和當前所在團隊造出一種交流電致發光磁性纖維。
其具備可磁致動、全層自癒合、全方位致動和全方位發光功能。
該纖維的發光亮度高達1068cd/m2，在完全斷裂之後仍能透過自癒合功能恢復初始亮度的 98.6%。當處於室內環境條件之下，能將恢復後的亮度穩定保持 10 個月以上。
該發光纖維包含三層結構：
內層為自癒合鎳複合材料電極，能夠提供導電性和磁響應性；中層為自癒合電致發光活性層；外層為自癒合吸溼性電極，能夠提供導電性和透明性。
付雪梅表示：“本次成果在纖維電子器件領域是一個重要突破，因為在以往的研究中不管是交流電致發光纖維還是其他纖維電子器件，全層自癒合都是一個頗具挑戰的功能。”
此外，她和同事透過構建全層自癒合纖維，讓疏水/親水材料和需加熱/不耐熱材料之間的矛盾得以調和，有望為設計基於多材料、多結構的器件帶來新啟發。
“相信透過持續的材料創新和結構創新，未來這種纖維既能以多根形式編織成發光織物實現視覺互動應用，也能以單根形式部署到狹窄空間實現光學檢測和反饋功能。”付雪梅表示。
同時，基於這種纖維的自癒合功能，將在應用中極大地減少維護成本和維護難度，並能夠延長器件壽命。
打造有“抵抗力”的發光纖維
據付雪梅介紹，電致發光器件——是人類與機器之間進行數字通訊的主要技術之一。
然而，在使用時電致發光器件可能會遭受機械損傷，從而導致器件效能下降或失效。而開發具有類似於人類皮膚自癒合功能的電致發光器件，則有望解決以上問題。
此前，付雪梅所在課題組在開發自癒合高介電材料上積累了一定的研究基礎，並透過平面狀的交流電致發光器件證明了這類材料的優勢。
從服裝到光通訊等多種領域中，纖維都起著重要作用。纖維器件的幾何形態存在高曲率和小直徑的特點，正因此之前尚未有人在該類器件上實現交流電致發光纖維的全層自癒合功能。
這是因為：
在交流電致發光纖維的多材料多層結構中，由於其表介面擁有較高的曲率，這不僅要求纖維的每一層材料都必須具有自癒合能力，同時外層電極還得滿足透明性和導電性等要求。而且，各層材料之間還需在製備工藝和癒合條件方面相互相容以適用纖維形態。
值得注意的是，纖維本身具有較好的柔韌性，它能夠實現彎曲和扭曲，具備用於狹窄空間的幾何形態優勢。在此之外，光本身又可以作為資訊載體。
因此，假如能夠開發可致動的發光纖維，就有希望實現能耗更低、靈活度更高、結構更緊湊的發光機器人，從而將發光功能用於互動和反饋。
這時，發光纖維所擁有的全層自癒合功能，就能增強機器人對於機械損傷的“抵抗力”。
基於此，付雪梅和所在團隊決定研發一種可致動的全層自癒合發光纖維，也希望進一步地提高器件效能和製備工藝，以便早日和商業化應用實現接軌。
繞開傳統做法，意外收穫更強功能
基於課題組已有的自癒合高介電材料，他們先是設計了自癒合電致發光的活性層和內電極。
對於自癒合高介電材料來說，它已被證明可被用於電致發光活性層，從而能夠提高平面狀發光器件的亮度，並能實現器件的全層自癒合功能。
但是，在纖維狀發光器件中，這一功能卻從未得到實現。這是因為纖維器件具有較高的曲率，很難實現成膜均勻性和成膜附著力，因此對於多材料多層結構的介面親和性要求更高。
在平面狀發光器件的製備上，人們一般使用刮塗法、旋塗法、絲網印刷法，但是這些方法並不適用於纖維器件。
而當使用噴塗法和浸塗法這兩種方法時，在纖維表面通常存在材料流動、成膜不均和附著力弱的難題。
為此，他們設計出一種相分離機制驅動的同軸溼法紡絲方法。在這一方法的幫助之下，不僅能夠製備出來自癒合電致發光活性層，也能製備出來內電極。
此外，所使用的自癒合高介電材料能夠同時作為兩層材料的基質，從而能夠分別針對電致發光粉和鐵磁導電粉加以複合，進而解決附著力、成膜均勻性和介面親和性等問題。
隨後，付雪梅等人開始設計外電極層。對於這種外電極層來說，它需要具備自癒合、高導電和高透明特點，並能在纖維形態的自癒合高介電材料表面實現均勻成膜。
該團隊所使用的自癒合高介電材料是一種疏水型氟聚物。在採用氟聚物來設計自癒合外電極時，他們面臨著透明性和導電性難以兼顧的難題。
為了解決這一問題，他們設計出一種水凝膠電極。考慮到氟聚物纖維表面具有疏水和高曲率的特點，為了讓水凝膠電極能夠在氟聚物纖維表面上實現均勻成膜，課題組利用鹽溶液針對氟聚物纖維進行預處理。
這樣一來，就能讓其實現良好的介面潤溼，從而可以最大程度地利用離子來誘導凝膠化，進而在氟聚物纖維上形成更均勻的水凝膠層。
要想實現纖維的全層自癒合，不僅需要每層材料都具備自癒合能力，也需要每一層材料都能在自癒合條件下實現相容。
而採用加熱的方式儘管能夠促進氟聚物的自癒合，但是會導致水凝膠失水進而導致效能下降。
同時，他們注意到新鮮製備出來的自癒合水凝膠往往具有很高的自粘性，以至於會讓發光纖維發生粘連，同時也會讓發光纖維因為失水而失效，這非常不利於纖維的規模化和穩定性。
於是他們決定不再使用新鮮的水凝膠，而是將水凝膠放置於自然條件下乾燥之後再使用。
此外，他們還針對水凝膠配方加以最佳化，不僅降低了水凝膠乾燥之後的粘連性，並讓導電性和自癒合性仍能滿足要求。
採用這種方法制備出來的水凝膠還具備吸溼性，在 50℃ 的條件之下加熱 9 天之後，仍能透過吸收空氣中的溼氣來恢復加熱之前的含水量和電導率。
即在吸溼性水凝膠電極的幫助之下，當恢復到室溫條件之後可以起到吸溼作用，從而恢復加熱之前的含水量和導電率，進而解決外層水凝膠電極與內部氟聚物纖維之間的自癒合條件不相容難題。
日前，相關論文以《自癒合可致動的電致發光纖維》（Self-healing actuatable electroluminescent fibres）為題發在Nature Communications[1]，付雪梅是第一作者，新加坡國立大學鄭志強教授擔任通訊作者。
未來，付雪梅等人計劃透過材料創新和結構創新，力爭實現纖維磁致運動的精確控制，同時也將基於本次纖維構建光學感測織物，從而實現健康監測功能。
另外，付雪梅已經有回國發展的打算，其希望未來能夠如願找到合適的職位，並希望繼續研究纖維電子學的交叉課題。
參考資料：
1.Fu, X., Wan, G., Guo, H. et al. Self-healing actuatable electroluminescent fibres.Nat Commun15, 10498 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53955-2
排版：劉雅坤
