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  纖維電子、光子器件能夠集成在紗線或織物中，是智能紡織品的重要組成部分，在可移動能量收集，遠程診斷，個性化醫(yī)療保健，運動跟蹤，人機交互，和可穿戴顯示等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。蠶絲纖維被譽為“纖維皇后”，具有豐富的天然資源、強大的機械性能、生物相容性、生物降解性、導熱性和寬的光學窗口，是用于智能和可穿戴電子產(chǎn)品的最重要的天然纖維之一。然而，天然桑蠶絲纖維的特性不能完全滿足智能紡織品的要求，如導電性，對不同外部刺激的敏感性、對環(huán)境（如濕度和溫度）的響應性和自適應性等。通過對蠶絲蛋白的介觀結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，可實現(xiàn)對蠶絲蛋白的功能化改性并拓展其在智能電子、光子器件領(lǐng)域的應用場景。

  廈門大學劉向陽教授課題組報道了從絲素蛋白介觀功能化到纖維電子、光子器件的綜述，系統(tǒng)地概述了功能化蠶絲纖維電子學方面研究的最新發(fā)展。作者從介觀尺度介紹了蠶絲材料的五級結(jié)構(gòu)，解釋了由 β 微晶成核控制的蠶絲介觀重構(gòu)過程。隨后，介紹了將蠶絲蛋白材料從溶液轉(zhuǎn)化為一維纖維結(jié)構(gòu)的人工紡絲方法，并討論了蠶絲蛋白在成纖過程的組裝行為，以及紡絲條件對蠶絲分子的排列和結(jié)晶的影響。此外，作者總結(jié)了功能化再生蠶絲纖維器件的研究進展，強調(diào)了智能蠶絲纖維在可穿戴傳感、可移動能量采集、遠程診斷、個性化醫(yī)療保健、人機交互等方面的潛在應用和相關(guān)挑戰(zhàn)。

圖1 采用介觀功能化蠶絲纖維和不同紡絲方法開發(fā)的各種智能纖維器件示意圖。

圖2 (a) 將柔性蠶絲蛋白材料轉(zhuǎn)化為介觀功能化蠶絲器件的研究策略。(b) 具有良好生物相容性的蠶絲/碳納米管（CNT）柔性電子纖維器件應用于濕度傳感器、人體健康監(jiān)測和人機交互等領(lǐng)域。

圖 3 蠶絲蛋白材料的五級結(jié)構(gòu)示意圖。i) 一級結(jié)構(gòu)：氨基酸序列；ii) 二級結(jié)構(gòu)：α-螺旋和β-折疊；iii) 三級結(jié)構(gòu)：β-微晶；iv) 四級結(jié)構(gòu)：β-晶體網(wǎng)絡(luò)，其中 β-微晶通過無定形鏈（α-螺旋和/或無規(guī)卷曲）相互連接；v) 五級結(jié)構(gòu)：納米纖維束/網(wǎng)絡(luò)。

圖4絲蛋白纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾種模型。a) 本體網(wǎng)絡(luò)模型；b)“圓柱形纖維”模型；c)“串珠”模型；d) 類淀粉狀蛋白模型；e)“板段”模型；f) 納米“漁網(wǎng)狀”模型。

圖5 蠶絲材料二級結(jié)構(gòu)的表征方法。(a) 傅里葉紅外光譜（FTIR）解卷積和峰值分配。(b) 通過紅外和廣角 X 射線衍射 獲得的β-微晶和 β-構(gòu)象。(c) 蠶絲纖維拉曼光譜中酰胺 I 區(qū)的譜帶分解。(d) 蠶絲纖維的偏振光譜。

圖6 蠶絲材料結(jié)構(gòu)信息的 X 射線衍射和 原子力顯微鏡（AFM） 分析。 (a-c) 絲蛋白材料的二維X射線光衍射圖像和經(jīng)過積分計算后得到的一維譜帶。(d-g) 具有不同牽伸比的再生蠶絲/CNT 復合纖維的同步輻射 X 射線衍射圖案 (h-j) AFM 測試的示意圖。 

圖 7. 蠶絲材料形態(tài)的圖像表征。 (a) 再生蠶絲纖維和 (b) CNT/再生蠶絲纖維的典型表面形態(tài)的光學和 掃描電子顯微鏡（SEM） 圖像。(c-d) 再生蠶絲蛋白凝膠的 TEM 圖像。(e) 由 AFM 圖像表征的 CNT/蠶絲蛋白混合介觀網(wǎng)絡(luò)。

圖8 (a) 蠶絲分子鏈展開和重折疊過程的圖示。(b-c) 成核誘導的β-微晶和晶體網(wǎng)絡(luò)形成。

圖9  (a) 蠶絲蛋白/羊毛角蛋白混合溶液的流變演變。 (b) 基于流變測量的動態(tài)熱力學增長曲線。 (c) 蠶絲蛋白/羊毛角蛋白的光密度演變。 (d) 基于光密度結(jié)果的靜態(tài)熱力學增長曲線。 (e-f) 蠶絲納米纖維和蠶絲蛋白/羊毛角蛋白混合納米纖維的 AFM 圖像。(g) 再生絲纖維中蠶絲/CNT介觀網(wǎng)絡(luò)重建示意圖。(h) 從AFM 圖像中可以清晰看出蠶絲/CNT納米原纖網(wǎng)絡(luò)。

圖10 蠶絲纖維的介觀重建和功能化圖示。 (a) 蠶絲介觀功能化示意圖和納米種子對功能化的影響。 經(jīng)許可轉(zhuǎn)載。(b) 納米種子對蠶絲纖維突出性能改進。

圖11 再生蠶絲纖維紡絲方法。 (a) 采用濕法紡絲對碳納米管/再生蠶絲蛋白溶液進行紡絲。 (b) 干紡用于制造具有良好機械性能的再生蠶絲纖維。(c) 3D 打印用于獲得芯鞘結(jié)構(gòu)的功能性再生蠶絲纖維。(d) 通過靜電紡絲獲得的 再生蠶絲納米纖維。(e) 通過微流體紡絲制備的介孔雜化再生蠶絲/藻酸鹽纖維。 

圖12 蠶絲纖維傳感器。 (a) 蠶絲纖維壓力傳感器的圖示。 (b) 蠶絲纖維壓力傳感器用于莫爾斯電碼編譯。 (c) 蠶絲壓力傳感器監(jiān)測不同彎曲角度。 (d)蠶絲纖維溫度傳感器陣列的智能針織手套的圖像。 (e) 當縫有蠶絲溫度的傳感器智能手套接觸裝滿熱水的燒杯時產(chǎn)生的電信號。 (f)  蠶絲溫度傳感器的電流 - 電壓信號。(g) 帶有嵌入式蠶絲濕度傳感器的智能口罩。 (h) 蠶絲濕度傳感器的響應和恢復時間。 (i) 智能口罩佩戴者呼氣和吸氣時的電阻信號。 (j) 人體呼吸監(jiān)測云平臺示意圖。 (k) 電信號處理流程圖。 (l-m) 實時移動監(jiān)控平臺。

圖13 蠶絲纖維致動器。(a ) 濕度引起的蜘蛛拉索絲的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動。(b) 水霧刺激的蠶絲致動器的示意圖。 (c) 蠶絲致動器工作圖像 (p 是螺距)。(d) 不同捻度密度的蠶絲致動器的拉伸行程對相對濕度的依賴性。 (e) 縫在 T 恤上的蠶絲致動器示意圖。 (f) 人體汗液驅(qū)動蠶絲紗線在空調(diào)紡織品中的應用示范。

圖14 蠶絲纖維的光學應用。 (a) 由熒光顏色基因（綠色）編碼的載體結(jié)構(gòu)。(b) 正常蠶（作為對照）和喂食各種熒光染料（包括羅丹明 101、羅丹明 110 和羅丹明 B）的家蠶吐出的彩色熒光繭和普通繭。第一行的圖像是在白光下拍攝的，而其他三行在紫外線照射下拍攝。 (c)絲膠蛋白和絲素蛋白中各種熒光染料的數(shù)量變化。(d) 仿生絲素蛋白反蛋白石響應濕度的結(jié)構(gòu)顏色變化。 (e) 反射峰與環(huán)境濕度之間的關(guān)系。(f) 蠶絲光導纖維制備示意圖。 (g) 用于對蠶絲光導纖維進行成像和分析的裝置示意圖。 (h-i) 具有直線和波浪結(jié)構(gòu)的蠶絲光導纖維的光學圖像。 

圖 15.蠶絲纖維用于能量收集器件。 (a) 用于摩擦納米發(fā)電機（TENG）的核殼結(jié)構(gòu)蠶絲紗線示意圖。(b) 蠶絲/不銹鋼一體化TENG紗線的 SEM 圖像。 (c) 蠶絲紗線 TENG能量收集工作原理。 (d) 蠶絲TENG能量收集器件的應用。 (e) 集成在護膝中用于運動監(jiān)測的蠶絲 TENG 的圖片和輸出信號。

  介觀功能化絲纖維有望成為生物相容性可穿戴電子產(chǎn)品的重要組成部分，顯著推動我們的生活進入互聯(lián)網(wǎng)集成紡織品的新時代。該綜述將作為通過絲介觀結(jié)構(gòu)功能化制備高性能功能蠶絲纖維的關(guān)鍵參考，這將有助于智能材料和軟物質(zhì)的全面研究。

  以上成果發(fā)表在Advanced Science上，該綜述的第一作者是吳榮輝博士和馬麗蕓博士，通訊作者是劉向陽教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202103981