東華大學(xué)熊佳慶/周欣然 Adv. Funct. Mater.：自愈-重構(gòu)型光電雙模傳感纖維
在可穿戴電子和智能人機交互中，基于電/光機制的雙模傳感纖維（electro-optical fiber）展示出廣闊潛力。當(dāng)前光電雙模傳感纖維普遍面臨制備工藝復(fù)雜和環(huán)境適應(yīng)性不足的挑戰(zhàn)，限制其進(jìn)一步發(fā)展。自愈合性和可回收性有助于保障纖維的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)穩(wěn)定性，可構(gòu)建靈活多變的愈合-重構(gòu)結(jié)構(gòu)，提升其環(huán)境適應(yīng)性，并降低材料和能源浪費。因此，以簡便可擴展的工藝開發(fā)兼具自愈合性和可回收性的光電傳感纖維有重要意義。
近日，東華大學(xué)熊佳慶/周欣然團隊合成了動態(tài)自愈型聚氨酯（DHPU），以導(dǎo)電離子液體（IL）和發(fā)光硫化鋅基顆粒分別作為內(nèi)、外功能填料，通過一步法同軸濕法紡絲技術(shù)，制備了一種可拉伸、自愈合、可回收的光電雙模傳感纖維（HEOF）（圖1）。該纖維集成了雙信號電學(xué)傳感（壓阻/摩擦電）和雙色發(fā)光功能，受損后可在少量乙醇輔助下室溫自愈，實現(xiàn)力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性能的高效修復(fù)（修復(fù)效率分別達(dá)94%、92%、99%），也可溶于乙醇實現(xiàn)快速回收（30 min）。作者展示了HEOF在昆蟲光電監(jiān)測、光電織物和智能警戒線等場景的多重應(yīng)用潛力，揭示了自愈-重構(gòu)特征纖維在適應(yīng)形狀/尺寸多樣化基材方面的獨特優(yōu)勢，并提出一種纖維自愈-重構(gòu)光電混合加密策略，結(jié)合混合加密算法實現(xiàn)了靈活安全的信息傳輸。
相關(guān)研究成果以“Recyclable and Healable Electro-Optical Fiber for Sensing and Information Transmission”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。論文第一作者為東華大學(xué)碩士生李偉康，通訊作者為東華大學(xué)熊佳慶研究員和周欣然副研究員。該研究得到國家自然科學(xué)基金等項目資助。
圖1. HEOF的設(shè)計及多場景應(yīng)用
圖2. DHPU的合成與性能
DHPU彈性體的模塊化設(shè)計是平衡熱塑性、彈性和自愈性的基礎(chǔ)，確保自愈合HEOF的構(gòu)建。異氰酸酯模塊中的異佛爾酮環(huán)破壞了聚氨酯的結(jié)晶，使得DHPU具備無定形結(jié)構(gòu)，顯示出高光學(xué)透明度（91%）（圖2）。脲基形成的動態(tài)氫鍵和可逆肟-氨基甲酸酯鍵，賦予了DHPU良好的自愈性；同時，脲氫鍵還使DHPU兼顧了一定的回彈性和熱穩(wěn)定性。
圖3. HEOF的力-電-光學(xué)性能及愈合性
通過一步法同軸濕紡成形的HEOF具有穩(wěn)定的纖維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)穩(wěn)定性（圖3）。得益于DHPU與IL和發(fā)光顆粒間形成的氫鍵，HEOF中的功能填料分散均勻，同時有效防止了離子液體的泄漏。HEOF的光學(xué)性能（發(fā)光亮度）不受拉伸形變影響，確保光學(xué)傳感和電學(xué)傳感相對獨立。此外，HEOF纖維不僅保持了DHPU的自愈性和可回收性，還具備耐水性和長效穩(wěn)定性，很好地平衡了光電纖維的功能性、易生產(chǎn)性、環(huán)境適應(yīng)性和耐久性。
圖4. HEOF的多場景應(yīng)用展示
電學(xué)-光學(xué)雙重功能配合纖維的靈活變形性和自愈-重構(gòu)能力，使得HEOF具備多場景應(yīng)用的可能（圖4）。作者展示了HEOF對關(guān)節(jié)彎曲角度的實時監(jiān)測，以及與編織手環(huán)或織物的無縫集成，用以提升穿戴產(chǎn)品的美觀性和夜間安全性。作者也展示了HEOF在生物互動性監(jiān)測上的應(yīng)用，通過設(shè)計紅綠雙色的光電智能蜘蛛網(wǎng)，吸引特定趨光性的昆蟲（如瓢蟲和蚜蟲），結(jié)合摩擦電信號檢測昆蟲接觸，為非侵入式種群密度監(jiān)測提供了新的可能。此外，利用藤蔓狀HEOF可適應(yīng)性包裹貴重或易碎物品，通過摩擦電傳感與壓阻式傳感機制可分別感知觸碰或破損并觸發(fā)警報，同時在夜間為巡視人員提供直觀的視覺反饋。這些應(yīng)用凸顯了HEOF的自愈-重構(gòu)優(yōu)越性，可顯著提升其在復(fù)雜環(huán)境中的適用性。
圖5. HEOF實現(xiàn)光電混合加密信息傳輸
作者進(jìn)一步展示了HEOF通過光-電雙模態(tài)信號實現(xiàn)高安全信息加密。HEOF發(fā)出的紅光與綠光分別編碼為“1”和“0”，電學(xué)輸出信號則通過單/雙峰區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)位。作者結(jié)合橢圓曲線加密（ECC）與高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）算法，通過光信號進(jìn)行密鑰的離線存儲，并利用動態(tài)自愈功能實現(xiàn)密鑰的靈活重置（圖5）。在演示案例中，通信雙方通過電信號傳輸密文，同時利用光學(xué)存儲密鑰以抵御竊聽，實現(xiàn)了高效安全的混合加密通信。這一策略為智能纖維信息傳輸提供了兼具保密性與便捷性的新方案。
綜上所述，該研究通過合成一種動態(tài)愈合聚氨酯（DHPU），并將其與離子液體和發(fā)光材料耦合，證實了一種可愈合光電雙模傳感纖維的一步連續(xù)制造，實現(xiàn)了纖維拉伸性、導(dǎo)電性、自愈合性和可回收性。利用DHPU的超分子相互作用及其與功能填料的出色兼容性，實現(xiàn)了HEOF的可靠機械、電氣和光學(xué)特性，且在愈合后保持穩(wěn)定。該纖維在乙醇中快速溶解回收，為智能纖維的可持續(xù)發(fā)展提供了新方案；于HEOF的雙色發(fā)光和雙模電學(xué)傳感能力，作者展示了纖維在昆蟲監(jiān)測、發(fā)光穿戴設(shè)備、智能警戒線和光電混合加密信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用潛力。這種自愈-重構(gòu)纖維材料的合成和成型工藝，以及基于這類材料的自愈-可編程器件有望為智能纖維材料的開發(fā)和應(yīng)用提供新思路。
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202423596
課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing
