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  基于纖維或紡織品的可穿戴傳感器因在健康監(jiān)測領域的潛在應用而受到廣泛關注�？芍貜托院透哽`敏度對可穿戴傳感電子學具有重要意義。纖維表面微結構加工技術的發(fā)展為提高纖維基傳感器的靈敏度提供了一條新的途徑。以化學物理沉積和三維打印為代表的二次加工技術是制備表面微結構的主要方法。然而，這些方法除了技術路線復雜外，也可能引起纖維基材性能的下降。到目前為止，還沒有關于一步法制備表面具有規(guī)則陣列結構的導電纖維的報道。如何簡單、高效地在纖維制備過程中同步在表面形成規(guī)則的微陣列結構，以提高纖維對外界刺激的反應靈敏度仍然是一個挑戰(zhàn)。

  基于此，揚州大學高強副教授研究組在前期研究基礎（Compos Commun, 2021, 25, 100700.，J Mater Chem C, 2020, 8, 4564-4571.）上，提出采用離子誘導的自組裝策略，在聚(3，4-乙二氧基噻吩)：聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT：PSS)纖維連續(xù)大規(guī)模制備的同時構筑具有均勻陣列結構的纖維表面（圖1）。該方法不需要后處理或苛刻的反應條件，基于傳統(tǒng)的濕法紡絲過程，在水-乙醇的凝固浴體系中引入Cu²⁺， PEDOT：PSS纖維表面即可自發(fā)形成絨毛狀的微結構。由于絨毛狀陣列結構的存在，仿生PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維的比表面積較原始PEDOT：PSS纖維增加了5倍，從而使其制備的觸覺傳感器具有低的檢測下限(~82 Pa)和快速響應時間(47 ms)。值得注意的是，這種離子輔助技術具有較好的拓展性，可以實現(xiàn)具有豐富特殊形貌PEDOT：PSS纖維的制備，尤其是把凝固浴作為“反應池”的想法為傳統(tǒng)濕紡技術和纖維表面形貌設計提供了一條獨特而有效的路徑。

圖1. 表面具有仿生絨毛狀陣列結構的PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維設計思路與制備過程。(a) PEDOT:PSS-Cu²⁺纖維的仿生設想，(b) PEDOT:PSS-Cu²⁺纖維的制備工藝，(c) PEDOT:PSS-Cu²⁺纖維表面絨毛狀陣列的SEM照片，(d) PEDOT:PSS-Cu²⁺纖維的截面與(e) 核殼結構的SEM照片，(f) 通過打結展示柔性。

  仿生PEDOT: PSS-Cu²⁺纖維表面絨毛狀陣列結構的構筑分為三部分，包括凝固浴中PEDOT：PSS纖維的相分離，表面晶種（聚電解質絡合物）的形成以及微結構的自組裝生長。通過控制凝固浴的微環(huán)境可以構筑不同長度與分布密度的表面絨毛狀陣列（圖2）。

圖2. 仿生PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維的形貌表征與絨毛狀陣列結構的成型機理。PEDOT:PSS-Cu²⁺纖維表面微結構的SEM照片：(a) fibers (0 min, 0 min)，(b) fibers (5 min, 0 min)，(c) fibers (2 min, 180 min)，(d) fibers (10 min, 180 min)，和(e) fibers (5 min, 180 min)，(f) 從種子晶體到類絨毛陣列結構自組裝過程原理圖。*注：fibers  (x min, y min)指的是制備的PEDOT:PSS-Cu²⁺纖維在凝固浴中停留x 分鐘，在空氣中停留y分鐘。

  由于表面陣列結構的存在，制備的仿生纖維具有良好的傳感特性，尤其是對外界壓力刺激展現(xiàn)出快速的反應時間以及穩(wěn)定可重復的信號響應（圖3）。

圖3. 仿生PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維對(a)拉伸、(d)彎曲與(g)按壓過程的傳感響應，(b) PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維拉伸受力下的相對電阻變化，(c)不同頻率拉伸循環(huán)下，(e)不同角度彎曲，(f)60度下周期性彎曲以及(h)周期性按壓下仿生纖維的實時電阻變化，(i)按壓PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維基傳感器展示出僅需47 ms的快速響應時間。

  文章進一步展示了這種仿生纖維在微氣流檢測、實時信息傳輸和重力/壓力傳感方面的潛在應用（圖4）。

圖4. 仿生PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維在(a)微氣流監(jiān)測、(e)實時信息傳輸以及(f)重力感應的應用展示，(b) 隨氣流速度的增加電阻信號迅速增加，(c)以3.5 m?s^-1的氣流速度下測量500次氣流開關循環(huán)下的仿生纖維的實時電阻變化，(d) 集成在織物中的仿生纖維，(g)測量壓力/重力分布的傳感器應用。

  相關成果以“Surface engineering via self-assembly on PEDOT: PSS fibers: Biomimetic fluff-like morphology and sensing application”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》（IF=13.273）。揚州大學化學化工學院碩士研究生王鵬與王明序（日本信州大學博士在讀）為論文的共同第一作者，通訊作者為揚州大學化學化工學院高強副教授。該研究得到了國家自然科學基金的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131551