南洋理工大学魏磊教授课题组《Nat. Commun. 》：基于热拉和压印工艺制备具有可控表面结构的功能纤维
微纳结构表面可以赋予材料许多优异的特性，如亲疏水，抗菌，产生结构色等等。因此，实现大规模制备具有可任意设计的表面结构的功能纤维对于拓宽纤维基器件应用范围和促进智能织物的发展等有十分重要的意义。近年来，纤维的热拉工艺由于其高稳定性和良好的材料与结构兼容性被广泛应用于功能纤维的大规模制备，并在传感，能量收集与转换和人机接口等诸多领域取得了突破性进展。然而，以往报道的热拉纤维的表面结构仅限于沿纤维长度方向上的沟槽。这是由材料在热拉工艺中将不可避免的被拉长2-6个量级，并且由于表面张力的作用，材料表面不平整的区域在热拉的过程中会趋于平滑导致的。因此，基于热拉法在纤维表面制备可任意设计的微纳结构仍然是一个巨大的挑战。
有鉴于此，南洋理工大学魏磊教授团队联合中国科学院工程热物理研究所张挺研究员团队开发了一种在热拉纤维成型的过程中直接压印的工艺(DITD工艺)。该工艺在热拉纤维的同时制备表面微纳结构，从而实现具有微纳结构表面的功能纤维的大规模制备。该工艺制备的微纳结构可以根据需求任意设计，结构分辨率可达几十纳米，并且能够覆盖成百上千米的纤维的整个表面。此外，研究人员就该DITD工艺的热学过程、分辨率、重复性等过程进行了深入研究，并进一步展示了基于DITD工艺制备的纤维在超表面，能量收集和自供能传感等能领域的应用，展示了该工艺在多功能纤维，柔性可穿戴器件和智能织物等领域的良好前景。
图一: 具有微纳结构表面的纤维的制备过程。(a) 通过DITD工艺制备表面具有二维点阵的纤维。(b) 纤维表面的SEM照片。(c) 超连续谱白光光源照射该纤维形成的干涉花样。
图一给出了DITD工艺的示意图。将预制棒(preform)在炉子内加热拉伸之后，直接用两个带有预设表面结构的滚轮作为模板，对刚拉制的纤维进行连续压印，使纤维表面形成连续的，与滚轮上表面结构相反的微纳结构。从SEM照片可以看出该工艺制作的表面结构质量非常高，与所用模板的结构完全吻合。并且清晰的衍射花样表明纤维表面的微纳结构呈现良好的周期性。随后，研究人员还展示了利用该工艺制作的多种表面结构和长达300米的具有表面结构的纤维。此外，该工艺可适用于多种材料，并且不影响材料本身的机械性能。
图二: DITD工艺的热学过程。(a) 纤维和滚轮上的温度分布。(b) 不同拉制温度下纤维表面的温度分布。
研究人员对该工艺种的热学过程进行了仿真并展示了纤维表面的温度分布，随后进行了实验验证。仿真结果和实验结果一致表明纤维在与滚轮接触时温度较高，足够进行微纳结构压印。而且，纤维与滚轮分离后温度明显下降，从而抑制了由表面张力驱动的回流，保证了较高的结构分辨率。
图三: (a-f) DITD工艺制备的微结构的分辨率，深度和重复性。(g-i) 具有纳米结构超表面纤维的光学特性测试以及模拟。
研究人员随后证实了该DITD工艺的结构分辨率在数十纳米的水平，同时该工艺可以很精确的控制结构深度并具有良好的重复性。更进一步地，研究人员研究了制备了具有周期性纳米结构的纤维的光学特性，展现了该工艺在生物传感，光学模式转换等领域的应用前景。
图四: (a-c) 具有双面微结构的功能纤维的示意图及形貌表征。(d-f) 基于两种纤维(平滑表面和微结构表面)组装的摩擦电纳米发电机的输出性能对比。(g) 基于微结构表面纤维的器件的鲁棒性测试。(h-i) 多点触摸传感织物及其性能测试。
此外，研究人员还制备了带有表面微结构的功能纤维并组装成了摩擦电纳米发电机，与没有表面微结构的器件相比，可以看出微结构明显提升了这种纤维基器件的输出性能。而且这种微结构具有很好的鲁棒性，因此在长时间工作下器件性能没有明显变化。最后，研究人员将这种具有微结构的功能纤维编织到商用布料里从而组装成了多点触摸传感织物，展示了该工艺在可穿戴器件等多种领域的巨大潜力。
以上相关成果发表在Nature Communications (Nat. Commun. 11, 3842 (2020)) 上。论文的第一作者为南洋理工大学的博士生王哲，通讯作者为南洋理工大学魏磊教授和中国科学院工程热物理研究所张挺研究员。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17674-8
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