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  電子設(shè)備正在從剛性向柔性可拉伸結(jié)構(gòu)演變，這使得電子產(chǎn)品能夠無縫地集成到日常生活中。各種電子材料在熱拉制纖維內(nèi)的集成已經(jīng)成為制造先進(jìn)功能纖維電子產(chǎn)品的通用平臺。一個極其重要的平臺。這種方法利用了宏觀預(yù)制棒的熱拉制，功能材料或預(yù)制器件被置于特定位置，以非常簡單和可擴(kuò)展的方式產(chǎn)生數(shù)公里長的具有復(fù)雜體系結(jié)構(gòu)和功能電子纖維。將不同的電子、光電子、熱機(jī)械、流變學(xué)和聲學(xué)特性的電子材料與單絲纖維相結(jié)合，產(chǎn)生感知刺激、交流、儲存和轉(zhuǎn)換能量、調(diào)節(jié)溫度、監(jiān)測健康和解剖大腦的功能。

  華中科技大學(xué)陶光明教授團(tuán)隊與多個國際頂級研究團(tuán)隊合作在材料科學(xué)頂級期刊Materials Today(IF: 25)發(fā)表題為“Thermally drawn advanced functional fibers: new frontier of flexible electronics”綜述性論文。文章回顧了熱拉制光纖電子技術(shù)的發(fā)展，重點介紹了其在通訊、傳感、能源、人造肌肉、3D打印、醫(yī)療保健，神經(jīng)科學(xué)、納米科學(xué)與制造、光纖材料的基礎(chǔ)科學(xué)等研究領(lǐng)域具有的獨(dú)特機(jī)會和廣闊的應(yīng)用前景，總結(jié)了在纖維和織物中實現(xiàn)類似于“摩爾定律”的前景和未來研究所面臨的挑戰(zhàn)，為織物成為計算和人工智能的下一個前沿奠定了基礎(chǔ)。該技術(shù)將具有不同的電子、光電子、熱機(jī)械、流變學(xué)和聲學(xué)特性的電子材料或高性能微型態(tài)器件一步組裝到單根纖維中，之后再可利用傳統(tǒng)的紡織技術(shù)將其集成到織物中，為織物成為計算和人工智能的下一個前沿奠定了基礎(chǔ)。

圖1 多功能智能織物集成多材料纖維電子示意圖

  制備集成多材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光纖電子纖維器件在工藝上具有挑戰(zhàn)性。以熱拉制為核心的典型工業(yè)生產(chǎn)方法應(yīng)運(yùn)而生。文章列出了熱拉制纖維歷史發(fā)展的代表性作品。此方法集成了具有不同光學(xué)、電子和光電子特性的不同材料，在宏觀預(yù)制棒內(nèi)設(shè)計結(jié)構(gòu)，然后通過將預(yù)制棒熱拉制成纖維，使纖維保持預(yù)制棒的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和和功能，從而得到具有高密度器件和各種功能的纖維。

  為了滿足傳感和材料加工中對柔性和低損耗的要求，開發(fā)了空芯微結(jié)構(gòu)光纖，它將光限制在一個由交替層組成的光子帶隙反射鏡的空芯核心上。光子帶隙的主要影響因素是各層的厚度和折射率，它們決定了布拉格光纖的光學(xué)特性。與其他光子帶隙光纖相比，布拉格光纖易于制造，且其光子帶隙易于控制，傳輸損耗低，從而被廣泛應(yīng)用于激光手術(shù)刀、光學(xué)諧振器以及自檢測高功率傳輸?shù)榷喾N領(lǐng)域中。

圖2 中紅外傳輸介質(zhì)及光子帶隙光纖制備工藝

  用于調(diào)制激光發(fā)射的電子纖維，可用來制作一種纖維軸橫向平面的圓柱對稱激光發(fā)射的全向激光器，在全向成像、生物醫(yī)學(xué)檢測和光動力治療等方面具有重要的應(yīng)用價值，因為它提供了一個比普通光纖更大的激光發(fā)射表面積。新型激光材料的研究正引起人們極大的興趣，并為下一代全光纖光子系統(tǒng)的發(fā)展提供了廣闊的前景。

圖3 纖維內(nèi)微流體圓柱對稱徑向發(fā)射的全向激光器

  用于應(yīng)變傳感的可拉伸柔性纖維應(yīng)用廣泛。一方面，它需要在特定的結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)導(dǎo)電材料和絕緣材料的組裝；另一方面，它也在向?qū)崿F(xiàn)關(guān)于可拉伸或柔軟纖維的熱拉伸工藝發(fā)展，但是由于材料的流變性能，這也成為了一項挑戰(zhàn)。人們對此類纖維的開發(fā)越來越感興趣，電子纖維產(chǎn)品展現(xiàn)了符合人類皮膚、生物組織、柔性機(jī)器人和織物的能力。

  纖維狀能量收集器在便攜式和可穿戴電子系統(tǒng)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。盡管此類基于壓電材料的纖維在聲學(xué)傳感、太陽能電池等領(lǐng)域有很大進(jìn)步，但是輸出性能仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平面結(jié)構(gòu)。因此，在保持纖維結(jié)構(gòu)獨(dú)特的力學(xué)優(yōu)勢的同時，提高纖維發(fā)電的輸出還需要進(jìn)一步的研究。

圖4 超彈性可拉伸纖維示意圖

  微流體纖維具有復(fù)雜的微通道形狀，可用于研究通道中的慣性粒子聚焦行為，從而實現(xiàn)細(xì)胞分離和微流率傳感。這些微流體裝置為實驗室纖維技術(shù)在化學(xué)、生化和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的可能性。將電極與介電材料整合在纖維中，也可制造電容性纖維裝置，實現(xiàn)無通道間串?dāng)_的觸摸板傳感器。

  雙向記憶開關(guān)纖維和場效應(yīng)晶體管纖維得益于在電場作用下呈現(xiàn)可逆非晶/晶相轉(zhuǎn)變的材料，這種材料的可加工性實現(xiàn)了長纖維的復(fù)雜電路，進(jìn)一步促進(jìn)交叉桿陣列柔性電子器件的發(fā)展。

圖5 (a)用于細(xì)胞分離的微流控纖維(b)基于纖維的熱流傳感器(c)電容纖維(d)雙向記憶開關(guān)纖維(e)場效應(yīng)晶體管纖維

  熱傳感器揭示了許多化學(xué)、物理和生物現(xiàn)象動態(tài)的重要信息，是工業(yè)加工、醫(yī)療診斷和軍事防御中最常用的傳感器之一，如圖6所示。用于熱傳感、定位和制冷的纖維可以進(jìn)一步織成織物，這使得它們特別適合應(yīng)用于綠色建筑、工業(yè)能源管理、可穿戴電子設(shè)備、智能織物和大面積可持續(xù)能源生產(chǎn)系統(tǒng)。

圖6 用于熱傳感、定位和制冷的纖維

  用于輻射檢測的纖維在核監(jiān)測、地球物理勘探、放射治療和高能物理等諸多領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價值。該纖維還可以排列成陣列探測器，其中每個纖維都可以看作是單獨(dú)的像素，有望在抑制信號串?dāng)_的情況下研究輻射的空間分布。

圖7 纖維人造肌肉示意圖

  將電能、化學(xué)能或熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械變形的人造肌肉，在機(jī)器人、觸覺學(xué)和修復(fù)術(shù)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。纖維人造肌肉具有獨(dú)特的強(qiáng)度和響應(yīng)能力，其可伸縮的特征尺寸為機(jī)器人和假肢的應(yīng)用開辟一條新的道路(如圖7)。

  經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)用于光敏的光電子纖維中薄膜結(jié)構(gòu)光纖的靈敏度要優(yōu)于固態(tài)芯光纖。由于最初半導(dǎo)體芯均為無定形的，但無序的原子結(jié)構(gòu)對器件的電子和光電子性能是有害的，于是通常采用不同的退火策略來改變半導(dǎo)體原子結(jié)構(gòu)，如對非晶芯直接進(jìn)行熱退火，激光加熱，利用化學(xué)溶液中的相變等，圖8展示了不同工藝制備出的光電子纖維。

圖8 不同工藝制備出的用于光敏的光電子纖維

  非干涉無透鏡成像及熒光成像是光電子纖維在無透鏡成像中的典型應(yīng)用。非干涉無透鏡成像主要是將預(yù)制棒拉伸出堅韌的聚合物光電探測纖維后編織成輕量級，低光密度的二維和三維結(jié)構(gòu)，用于測量大面積的電磁場的振幅和相位。而熒光成像則是將單根光纖及若干光電探測器集成在一起測量光電流強(qiáng)度，從而實現(xiàn)無透鏡成像。

圖9 電連接二極管的纖維拉伸工藝圖

  采用高壓化學(xué)氣相沉積法在多材料中制備半導(dǎo)體二極管不具有可擴(kuò)展性，于是開發(fā)出一種新的方法：采用電連接二極管的纖維拉伸工藝，將可擴(kuò)展的預(yù)制棒到光纖的拉伸過程與高性能預(yù)制半導(dǎo)體器件相結(jié)合(如圖9)，最終得到的光電子纖維可用于光通信中。

圖10 基于光纖的不同神經(jīng)接口的各種應(yīng)用

  纖維與神經(jīng)元有許多共同之處，在神經(jīng)元和電子通信網(wǎng)絡(luò)之間建立連接會開發(fā)出一種新的神經(jīng)元集成電子設(shè)備，并應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域。在過去的幾十年里，基于光纖的神經(jīng)接口取得了顯著的進(jìn)展。根據(jù)接口方法，光纖器件可基本分為光接口、電接口、化學(xué)界面、用于神經(jīng)修復(fù)和可再生的支架式光纖等(如圖10)。

圖11 1維纖維到0維顆粒示意圖

  多材料纖維可用于微納制造，比如激光重組高溫半導(dǎo)體芯光纖、纖維內(nèi)合成新材料、制備納米線、制備微納顆粒等，作為一個前所未有的微型和納米加工平臺，利用熱拉制、熔融紡絲和靜電紡絲方法可以實現(xiàn)從1維到0維(纖維到粒子)的跨越，制備均勻的微納顆粒(如圖11)。該粒子制備方法具有可擴(kuò)展性，未來微納粒子陣列的制備將為下一代功能器件開辟新的道路。

圖12 多材料纖維用于3D打印

  此外，多材料纖維還可以作為3D打印的墨水，可以將具有不同物理性質(zhì)的材料很好地結(jié)合在一起，打印到器件中(如圖12)。通過這種方法，可以構(gòu)造出任何形式的三維結(jié)構(gòu)來展示設(shè)備的功能。

  織物無處不在，但它們的功能幾千年來一直沒有改變。將多材料纖維與電子織物結(jié)合，主要包括電子纖維直接集成，或者是其他典型技術(shù)如電子設(shè)備嵌入織物襯底、直接功能化紡織表面等。此外，智能織物與人工智能(AI)相結(jié)合，電子纖維和織物可能演變成更智能的系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析能力。與剛性設(shè)備相比，采用智能面料技術(shù)的織物使數(shù)據(jù)采集過程更透明、更準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)質(zhì)量更可靠、更真實。

圖13 智能織物與人工智能(AI)相結(jié)合

  這種融合了電子和光電子功能的先進(jìn)功能纖維，在傳感、通信、能源、機(jī)器人技術(shù)、智能織物、生物工程和神經(jīng)科學(xué)等諸多技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用前景。基礎(chǔ)科學(xué)為許多研究領(lǐng)域提供了巨大的機(jī)會，包括材料加工、原子和微觀層面的結(jié)構(gòu)控制和性能優(yōu)化、不同物理和化學(xué)性質(zhì)的材料的結(jié)合、流變學(xué)和界面科學(xué)以及多功能耦合。電子纖維與傳統(tǒng)織物的結(jié)合可能會徹底改變紡織技術(shù)和工業(yè)。

  文章總結(jié)這項工作時，也提出了尚存的挑戰(zhàn)和未來的方向：預(yù)制棒的制備工藝與現(xiàn)有的電子技術(shù)不相容，需要發(fā)展更先進(jìn)更綜合的技術(shù)；可集成到熱拉制平臺的功能材料有限，需要繼續(xù)開發(fā)新技術(shù)將不相容的功能材料與熱拉制工藝集成；材料結(jié)構(gòu)與性能相互作用的研究剛剛起步，為了實現(xiàn)復(fù)雜的功能且避免制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，需要控制材料的微觀結(jié)構(gòu)；纖維的功能將以一種可預(yù)測的方式逐步升級，在纖維和織物中形成類似“摩爾定律”，在未來幾年內(nèi)，集成多種功能的纖維將能夠看到、聽到、感覺到、交流、儲存和轉(zhuǎn)換能量、調(diào)節(jié)溫度、監(jiān)測健康和改變顏色。這些努力成果將有可能從根本上改變我們對纖維和織物的觀念。纖維和織物正從單一功能、單一材料發(fā)展成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的高度集成電子產(chǎn)品。集多功能于一體的纖維及織物在下一代智能、柔性、可穿戴電子產(chǎn)品中具有廣闊的應(yīng)用前景。

致謝

  全體作者感謝朱美芳教授、張新亮教授、周軍教授的支持。陶光明教授特別感謝國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號61875064)、WNLO人機(jī)交互聯(lián)合實驗室、WNLO創(chuàng)新專項、HUST創(chuàng)新基金(批準(zhǔn)號2172018KFYXKJC021)資助。胡潤教授特別感謝國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:51606074)資助。魏磊教授特別感謝新加坡教育部學(xué)術(shù)研究基金二級(MOE2015-T2-2-010)、新加坡教育部學(xué)術(shù)研究基金一級(T1-001-103和MOE2019-T1-001-111)資助。周時鳳教授特別感謝國家重點研發(fā)項目(2018YFB1107200)、國家自然科學(xué)基金項目(批準(zhǔn)號:51622206、51972113)、廣州市科研專項重點項目(201904020013)資助。Xiaoting Jia特別感謝國家科學(xué)基金(1847436)資助。陶肖明教授向香港特別行政區(qū)政府研究資助局(152110/16E和152009/17E)及創(chuàng)新及科技委員會(ITS/306/17)致謝。Fabien Sorin特別感謝瑞士CCMX材料挑戰(zhàn)資助計劃、瑞士國家科學(xué)基金會(批準(zhǔn)號為200021_146871)和歐洲研究理事會(ERC啟動批準(zhǔn)號為679211 “FLOWTONICS”)。

原文鏈接 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702119308697

DOI: 10.1016/j.mattod.2019.11.006

下載：論文