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  衣服是與人類文明的發(fā)展和生產(chǎn)力的進(jìn)步息息相關(guān)的代表性產(chǎn)物。從原始部落的獸皮開始，到象征社會(huì)階級(jí)地位的袍出現(xiàn)，以及后來(lái)紡織業(yè)帶來(lái)的工業(yè)革命，都證明人類社會(huì)發(fā)展和服裝的緊密聯(lián)系。毫無(wú)疑問未來(lái)世界將是一個(gè)智能的世界，而未來(lái)的服裝將是和人體最貼身的可穿戴設(shè)備，這也是可穿戴設(shè)備是研究熱點(diǎn)之一的主要原因。可穿戴電子設(shè)備在近年來(lái)一直都是熱門研究課題，備受矚目且市場(chǎng)份額逐年增長(zhǎng)，僅在2018年全球市場(chǎng)份額就已經(jīng)超過了20億美元。纖維作為紡織的最基本的單元，一直決定未來(lái)的時(shí)尚發(fā)展趨勢(shì)，而功能性纖維也是未來(lái)的可穿戴設(shè)備大規(guī)模使用的決定性和關(guān)鍵性材料。

  近日，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)劉旭慶、諾桑比亞大學(xué)Ben XU和劍橋大學(xué)、蘭州大學(xué)等研究人員合作在Small上發(fā)表了題為“Fibre Surface/Interfacial Engineering on Wearable Electronics”的綜述，系統(tǒng)地總結(jié)了“纖維表界面科學(xué)與分子工程”在可穿戴設(shè)備的應(yīng)用。纖維作為可穿戴最基本的單元，能夠通過表界面修飾賦予纖維更多的性能。因此總結(jié)歸納以往的方法和探究新的改性方案對(duì)未來(lái)發(fā)展可穿戴電子設(shè)備是相當(dāng)有助益的。

  纖維按照材料來(lái)源可以分為天然纖維和合成纖維兩種。天然纖維的最終產(chǎn)品通常是可生物降解的、無(wú)毒的、重量輕的、具有高比強(qiáng)度和抗疲勞性。然而天然纖維的局限性也很明顯，特別是它們的高吸濕性、不規(guī)則的機(jī)械性能、較差的耐化學(xué)性和耐火性，以及與聚合物基質(zhì)的界面相互作用較差，嚴(yán)重限制了進(jìn)一步的深入應(yīng)用。合成纖維比天然纖維具有更廣泛的應(yīng)用，但也存在穿著舒適度下降的問題，不得不以此犧牲來(lái)?yè)Q取更高的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性、防水性等。這些缺點(diǎn)顯著降低了當(dāng)前基于紡織品的可穿戴電子設(shè)備的性能。由于纖維是基于紡織品的可穿戴電子產(chǎn)品的關(guān)鍵組成部分，因此有必要通過纖維表界面修飾改性，賦予纖維更多的性能來(lái)獲得性能更好的材料，以改善這兩種纖維的原有缺點(diǎn)。

圖1  可穿戴電子設(shè)備的部分具體應(yīng)用

  綜述中總結(jié)了多種不同的針對(duì)基于紡織品的可穿戴電子設(shè)備的纖維部分的表面修飾方法，高度概括了以往常用的物理修飾法和化學(xué)修飾法，包括物理修飾中的等離子激發(fā)、輻射、退火、表面沉積和微晶生長(zhǎng)，化學(xué)修飾中的酸堿化處理、硅烷化處理、天然纖維的乙�；�、苯甲�；幚�、馬來(lái)酸偶聯(lián)劑、高錳酸化處理、過氧化處理等等。然而，無(wú)論是物理還是化學(xué)表面修飾，最終的纖維表面通常都會(huì)形成牢固的共價(jià)鍵或通過相似的分子相互作用相互結(jié)合。共價(jià)連接或類似的強(qiáng)相互作用力通常會(huì)破壞一些原始的共軛結(jié)構(gòu)，這會(huì)極大地?fù)p害原始材料的性能，而這種情況在大眾所熟知的石墨烯處理中尤為嚴(yán)重。石墨烯本身的高導(dǎo)電性依賴于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和碳sp2雜化，因此共價(jià)鍵和額外官能團(tuán)的引入將嚴(yán)重影響其結(jié)構(gòu)的規(guī)律性并降低石墨烯的獨(dú)特性能。于是作者課題組引入了一種新的表面/界面工程方法，即通過π-π堆疊自組裝修飾纖維表面，該堆疊基于非共價(jià)力，類似氫鍵、靜電相互作用，屬于非破壞性的工作原理，在纖維材料的表面改性方面具有巨大的潛力， 也是作者課題組目前努力的方向。此類修飾有望在未來(lái)的織物復(fù)合材料中得到廣泛應(yīng)用， 作者課題組也做了初步的探索性工作，如Composites Part B: Engineering 2021, 220, 108983。另一個(gè)典型的應(yīng)用成果就是石墨烯-聚多巴胺處理的芳綸纖維和利用紅酒中單寧酸處理和化學(xué)沉積而制成的柔性導(dǎo)體Advanced Science 2020, 7 (23)。

  這篇綜述還展望了新的材料在功能性纖維領(lǐng)域的應(yīng)用，如——有機(jī)金屬骨架（MOF） 纖維，有望在基于纖維的可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。MOF是由金屬離子或簇與有機(jī)配體配位形成1D/2D/3D結(jié)構(gòu)的一系列化合物，由于其大的比表面積、豐富且可控的多孔結(jié)構(gòu)和多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在能量存儲(chǔ)、氣體吸附/分離、光催化和藥物輸送等領(lǐng)域應(yīng)用頗有前景。特別是其擁有大量開放的活性位點(diǎn)，可以極大地支持電解質(zhì)等不同分子的進(jìn)入，極大地促進(jìn)了其在超級(jí)電容器等儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用，因此成功和纖維組合發(fā)展成了不少新的可穿戴電子設(shè)備，例如ZIF-67碳MOF纖維就取得了1756 mF/cm² 的超高面積電容和高達(dá)829 F/g的比電容，而這僅僅只需要 1.9 mg/cm² 的ZIF-67載量。該綜述促進(jìn)了對(duì)纖維材料表面/界面工程技術(shù)的理解，有望指導(dǎo)未來(lái)基于纖維的可穿戴電子設(shè)備的合理設(shè)計(jì)。

圖2  典型的π-π堆疊自組裝：（a）輻照后在 聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯上生長(zhǎng)的石墨烯；（b）氧化石墨烯-聚多巴胺處理的芳綸纖維制備過程（c）通過單寧酸改性和化學(xué)沉積制造柔性導(dǎo)體

  論文發(fā)表在Small上，第一作者是博士研究生肖瑞敏，通訊作者為英國(guó)曼徹斯特大學(xué)材料學(xué)院劉旭慶和諾桑比亞大學(xué)Ben XU教授。

  論文鏈接： https://doi.org/10.1002/smll.202102903

  英國(guó)曼徹斯特大學(xué)有著悠久的紡織學(xué)科歷史，紡織學(xué)科在第一、二次工業(yè)革命在此應(yīng)運(yùn)而生，這里也是化工學(xué)科的誕生地。劉旭慶課題組近年來(lái)致力于解決纖維材料科學(xué)的前端技術(shù)問題，開展了功能性纖維、功能性纖維復(fù)合材料和時(shí)尚行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展等方面研究工作。劉旭慶課題組建立了纖維表面分子工程實(shí)驗(yàn)室，研發(fā)了多種新型功能性面料和功能性織物，發(fā)表了如Composites Part B: Engineering 2021, 220, 108983; Advanced Science 2020, 7 (23), 2002009; Nano Energy, 2020, 104926; ACS Nano 2020, 14, 7, 8191–8201;  ACS Nano 2020, 14, 1, 559–567; Nano Lett. 2019, 19, 9, 6592–6599; Small 2019, 15, 190244; Chem. Mater. 2020, 32, 1, 234–244等系列研究工作。他課題組在紡織業(yè)污水領(lǐng)域處理領(lǐng)域也進(jìn)行了深入研究，發(fā)表了Chemical Engineering Journal, 2021, 419, 129542; Journal of Hazardous Materials 2021, 403, 123587; ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12 (49), 54936-54945; Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1900564等研究成果。