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  微納結(jié)構(gòu)表面可以賦予材料許多優(yōu)異的特性，如親疏水，抗菌，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色等等。因此，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備具有可任意設(shè)計(jì)的表面結(jié)構(gòu)的功能纖維對(duì)于拓寬纖維基器件應(yīng)用范圍和促進(jìn)智能織物的發(fā)展等有十分重要的意義。近年來(lái)，纖維的熱拉工藝由于其高穩(wěn)定性和良好的材料與結(jié)構(gòu)兼容性被廣泛應(yīng)用于功能纖維的大規(guī)模制備，并在傳感，能量收集與轉(zhuǎn)換和人機(jī)接口等諸多領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。然而，以往報(bào)道的熱拉纖維的表面結(jié)構(gòu)僅限于沿纖維長(zhǎng)度方向上的溝槽。這是由材料在熱拉工藝中將不可避免的被拉長(zhǎng)2-6個(gè)量級(jí)，并且由于表面張力的作用，材料表面不平整的區(qū)域在熱拉的過(guò)程中會(huì)趨于平滑導(dǎo)致的。因此，基于熱拉法在纖維表面制備可任意設(shè)計(jì)的微納結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

  有鑒于此，南洋理工大學(xué)魏磊教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所張挺研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種在熱拉纖維成型的過(guò)程中直接壓印的工藝(DITD工藝)。該工藝在熱拉纖維的同時(shí)制備表面微納結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)具有微納結(jié)構(gòu)表面的功能纖維的大規(guī)模制備。該工藝制備的微納結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需求任意設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)分辨率可達(dá)幾十納米，并且能夠覆蓋成百上千米的纖維的整個(gè)表面。此外，研究人員就該DITD工藝的熱學(xué)過(guò)程、分辨率、重復(fù)性等過(guò)程進(jìn)行了深入研究，并進(jìn)一步展示了基于DITD工藝制備的纖維在超表面，能量收集和自供能傳感等能領(lǐng)域的應(yīng)用，展示了該工藝在多功能纖維，柔性可穿戴器件和智能織物等領(lǐng)域的良好前景。

圖一: 具有微納結(jié)構(gòu)表面的纖維的制備過(guò)程。(a) 通過(guò)DITD工藝制備表面具有二維點(diǎn)陣的纖維。(b) 纖維表面的SEM照片。(c) 超連續(xù)譜白光光源照射該纖維形成的干涉花樣。

  圖一給出了DITD工藝的示意圖。將預(yù)制棒(preform)在爐子內(nèi)加熱拉伸之后，直接用兩個(gè)帶有預(yù)設(shè)表面結(jié)構(gòu)的滾輪作為模板，對(duì)剛拉制的纖維進(jìn)行連續(xù)壓印，使纖維表面形成連續(xù)的，與滾輪上表面結(jié)構(gòu)相反的微納結(jié)構(gòu)。從SEM照片可以看出該工藝制作的表面結(jié)構(gòu)質(zhì)量非常高，與所用模板的結(jié)構(gòu)完全吻合。并且清晰的衍射花樣表明纖維表面的微納結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)良好的周期性。隨后，研究人員還展示了利用該工藝制作的多種表面結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)達(dá)300米的具有表面結(jié)構(gòu)的纖維。此外，該工藝可適用于多種材料，并且不影響材料本身的機(jī)械性能。

圖二: DITD工藝的熱學(xué)過(guò)程。(a) 纖維和滾輪上的溫度分布。(b) 不同拉制溫度下纖維表面的溫度分布。

  研究人員對(duì)該工藝種的熱學(xué)過(guò)程進(jìn)行了仿真并展示了纖維表面的溫度分布，隨后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致表明纖維在與滾輪接觸時(shí)溫度較高，足夠進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)壓印。而且，纖維與滾輪分離后溫度明顯下降，從而抑制了由表面張力驅(qū)動(dòng)的回流，保證了較高的結(jié)構(gòu)分辨率。

圖三: (a-f) DITD工藝制備的微結(jié)構(gòu)的分辨率，深度和重復(fù)性。(g-i) 具有納米結(jié)構(gòu)超表面纖維的光學(xué)特性測(cè)試以及模擬。

  研究人員隨后證實(shí)了該DITD工藝的結(jié)構(gòu)分辨率在數(shù)十納米的水平，同時(shí)該工藝可以很精確的控制結(jié)構(gòu)深度并具有良好的重復(fù)性。更進(jìn)一步地，研究人員研究了制備了具有周期性納米結(jié)構(gòu)的纖維的光學(xué)特性，展現(xiàn)了該工藝在生物傳感，光學(xué)模式轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

圖四: (a-c) 具有雙面微結(jié)構(gòu)的功能纖維的示意圖及形貌表征。(d-f) 基于兩種纖維(平滑表面和微結(jié)構(gòu)表面)組裝的摩擦電納米發(fā)電機(jī)的輸出性能對(duì)比。(g) 基于微結(jié)構(gòu)表面纖維的器件的魯棒性測(cè)試。(h-i) 多點(diǎn)觸摸傳感織物及其性能測(cè)試。

  此外，研究人員還制備了帶有表面微結(jié)構(gòu)的功能纖維并組裝成了摩擦電納米發(fā)電機(jī)，與沒(méi)有表面微結(jié)構(gòu)的器件相比，可以看出微結(jié)構(gòu)明顯提升了這種纖維基器件的輸出性能。而且這種微結(jié)構(gòu)具有很好的魯棒性，因此在長(zhǎng)時(shí)間工作下器件性能沒(méi)有明顯變化。最后，研究人員將這種具有微結(jié)構(gòu)的功能纖維編織到商用布料里從而組裝成了多點(diǎn)觸摸傳感織物，展示了該工藝在可穿戴器件等多種領(lǐng)域的巨大潛力。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Nature Communications (Nat. Commun. 11, 3842 (2020)) 上。論文的第一作者為南洋理工大學(xué)的博士生王哲，通訊作者為南洋理工大學(xué)魏磊教授和中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所張挺研究員。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17674-8