Nature：编织“光电”衣物

一、【科学背景】

纤维技术最近的突破使得功能材料可以与紧密接口组装成具有特定几何形状的单纤维，在许多领域提供多样化的功能，例如作为传感器、能量收集和存储，以及显示和医疗设备。由于半导体是决定器件性能的关键组件，因此在纤维内部选择、控制和工程半导体是实现高性能功能纤维的关键途径。然而，由于高成品纤维热拉伸过程中的应力发展和毛细管不稳定性，半导体芯中的裂纹和变形都显著影响了这些纤维的性能。基于以上难题，新加坡南洋理工大学魏磊教授、高华健教授联合中国科学院深圳先进院陈明副研究员、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲研究员在Nature上报道发明了一种能够被编织进日常服饰、同时具备卓越性能的纤维，解决了无机半导体纤维热拉制过程中的多材料体系应力失配和流体不稳定性问题，实现了每分钟数米至数十米高速拉制长达数百米的Si/Ge半导体纤维制备策略。

二、【科学贡献】

研究人员评估了纤维制造过程，以确定断裂和缺陷如何产生。利用这些信息，他们修改了加工技术以及半导体和纤维材料的结合，以生产出具有光电特性的高性能柔性纤维，并将一根根细如发丝的纤维材料“编织”而成成一块长13.5米、宽0.6米、厚1毫米的光电传感布。

图1  半导体光电光纤的设计与制造 © 2024 Springer Nature

为展示这种材料的能力，研究人员制作了一系列实验性装置。例如将光电纤维编成一顶帽子，能感知交通灯的光信号，从而为视力障碍人士提供协助；帽子检测到的光信号被传输到一个手机，在交通灯由红转绿时提醒用户。研究人员还将光电纤维编入手环，制成可穿戴心脏监测器，性能与市售设备相当，但比刚性传感器更贴合手腕。最重要的是，制备的光电纤维探测器在极端环境下表现出优异稳定性，可在水下三千米甚至更深的压力环境下稳定工作。

图2  光电纤维、织物及代表性应用 © 2024 Springer Nature

三、【创新点】

本研究将单一材料纤维的热拉制法扩展为多材料的制备工艺，并从固体力学和流体力学的角度出发，解决了无机半导体纤维热拉制过程中的多材料体系应力失配和流体不稳定性问题，实现了每分钟数米至数十米高速拉制长达数百米的Si/Ge半导体纤维制备策略。

四、【科学启迪】

综上，该研究开发了一种制作内置电子元件纤维的新方法，将半导体线集成到一个单一的柔性纤维中，并与金属电极形成良好的界面，从而实现光电子纤维和大规模光电子织物，这种纤维织物可用于可穿戴电子设备，其潜在应用包括能感知交通灯变化的帽子（可帮助视障人士），以及用于心脏监测的柔性设备。该研究提供了对极限力学和流体动力学的基本见解，并提供了传统平台无法实现的几何形状，从根本上解决了对柔性和可穿戴光电子设备日益增长的需求。目前，制造这些纤维的设备包括一个纤维牵引装置，该装置已经在电信业中用于生产商用光纤。一旦这些纤维制成，就可以利用纺织业已广泛使用的工具，将其编织成织物。这项工作在将微型计算机嵌入日常服装的方向上实现了一个飞跃。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06946-0

本文由赛恩斯供稿。