中科院工程热物理研究所张挺、新加坡南洋理工大学魏磊、吉林大学李凯伟InfoMat：热拉制多功能纤维---迈向下一代信息技术器件

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传统的光纤由于目的单一（用作光波导），故而光纤材料也较为集中于玻璃。纤维因其特殊的形状尺寸，在更多涉及到信息收集、采取、传递和处理的应用场景下具有独特的优势。自然地，人们想要更加广发的应用纤维形式的器件，或者说是全纤维器件，来提升生活质量。出于这一目的，我们对纤维的材料及结构有了更进一步的要求。从热拉制多功能复合材料的近期发展来看，科研人员们已经实现了在材料上的拓展和结构上的创新，实现了许多令人惊喜的全纤维器件。这篇综述性论文从“视”，“听”，“嗅”，“味”，“触”五感纤维、个人健康管理纤维、神经探针到集成电路纤维和能源纤维，均做了详细介绍。

图1：应用于信息科技的热拉制功能纤维。包括五感（“视”，“听”，“嗅”，“味”，“触”）纤维、芯片集成纤维、生化探针纤维、神经探针纤维和能源收集/储存纤维。

可以“看”的纤维，是指具有光感应功能的纤维。利用光电效应，在纤维内组建MSM（金属-半导体-金属）形式的背靠背双肖特基结结构，可以实现全纤维形式的光电探测器。由于热拉制工艺的限制，在聚合物纤维中，半导体的选用通常是硫系玻璃材料；在玻璃纤维中，半导体可选用硅、锗等，如图2A所示。并且，除MSM结构外，还可以额外的在纤维内部附加例如谐振腔、光子带隙等微结构来实现同一纤维上的多功能复合。对纤维拉制过程中的材料热力学、晶体学及力学等的研究，可以指导研究人员设计并实现纤维器件内部的微结构自组装。除了简单的检测光照的有无和强度，光电纤维还可以用作成像。图2B-C展示了一张光电纤维布对入射光（字母“E”形状）的探测和还原影像。图2D-E则展示了采用多色光源照射物体，光电纤维布获得衍射花样后还原得到物体图像。图2F-K展示了集成有纳米半导体纤维的光电探测器。图2L-N展示了一根复合了光电探测和光波导双功能的全纤维器件。该纤维由中心光波导、中层光电探测器和外层保护包层组成，可以同时实现对荧光物质的激发（激发光由中心光波导传递）和荧光成像（荧光由中层光电探测器转化为电信号）。另外，光电纤维还可以作为3D打印的原材料，在不破坏纤维内部关键结构的前提下，打印成任意的立体形状（图2O-Q）。

图2：MSM结构光电纤维用于光学成像。(A)由半导体芯、金属电极和聚合物包层组成的光电探测纤维截面；(B)一个字母E型的光斑照射在光电纤维编织布上；(C)不同入射角还原出的图像；(D)双环结构的光电纤维SEM照片；(E)单网络无透镜多色成像原理；(F)纳米线簇及其金属接触的SEM照片；(G)放大的单个像素点，可见其上的纳米线簇；(H)以纳米线簇为核心组装出的成像装置外观；(I)用该装置捕获的“UNAM”字样；(J)用于生长硒纳米线的纤维热拉过程示意图；(K)15cm长的硒纳米线纤维及其与CPC电极的界面放大照片；(L)采用纤维传感的荧光成像系统示意图；(M)由罗丹明B溶于乙醇制作的“EPFL”logo；(N)采用纤维荧光成像系统还原得到的图像。(O)可用功能纤维作为原料进行的3D打印示意图；(P)使用光电探测纤维3D打印做成的球；(Q)光电探测球的光照位置还原。

可以“听”的纤维指的是由压电材料制作而成的声电纤维。通常，PVDF-TrFE 材料因其与热拉制法的良好兼容性而被选为声电纤维的关键材料。不同形状的，例如圆柱形、矩形及三角形截面的声电纤维均可通过热拉制生产，并提供不同的震动波形，如图三所示。此外，研究人员还通过层叠结构的方式去增大单纤维内PVDF-TrFE的有效面积，从而提升声电纤维的性能。

图3：热拉制声电纤维：制备、结构、性能及可编织性。(A)典型的预制棒制作工艺；(B)热拉制形成的扁平层状结构纤维；(C)圆柱形纤维；(D)纤维内的超大活性面积设计；(E)薄卷饼结构的纤维；(F)声电纤维水下测试装置示意图；(G)不同形状声电纤维产生的波阵面；(H)两根声电纤维同相干涉；(I)薄卷饼结构纤维中的电子分离机制；(J)声电纤维纺织。

通过光化学交互反应，利用光子晶体纤维或是光电纤维可以实现能够“嗅”、“味”的纤维。如图4所示，多功能复合纤维可成为“鼻”或“舌”去判断和检测特定化学物质。

图4：用于化学传感的热拉制多材料光电纤维。(A)光电纤维电子鼻示意图；(B)波导光与样品间强化的的电磁作用；(C)光子带隙纤维横截面的SEM照片及放大的光子带隙结构；(D)纤维阵列的透过谱及甲醇淬火前后的对比；(E)预制棒结构；(F)热拉制示意图及纤维横截面SEM照片；(G)该纤维化学传感机理示意图。

当按压悬臂式结构的纤维至两电极于按压处接触时可以导通电路，从而实现对按压位置的感应（图5A-B）。还可以通过其它的方法实现对触摸有响应的纤维器件。例如采用弹性体作为纤维基体，液态金属灌注其中作为电极，全纤维可承受大应变，应变通过收集到的电信号计算得到（图5C-F，I-J，M-N）。又或者将两根铜丝复合进弹性体纤维中，利用电容器原理检测触摸按压（图5G-H）。或将纤维表面引入微结构，提升其作为纳米摩擦发电机的性能，将多根纳米摩擦发电机编织成布，可读取其电信号作为触摸检测。

图5：用于触觉传感的热拉制纤维。(A-B)用于压力定位传感的悬臂式纤维；(C-D)用于压力定位感的SEBS/CPE复合纤维；(E-F)用于应变应力传感的SEBS/液态金属纤维；(G)集成有两根铜线的分布式触觉传感纤维；(H)按压不同位置产生的信号；(I)用于分布式力学传感的热拉制可拉伸传输线；(J)电阻沿纤维的分布信号；(K-L)自供能多点触发的触觉传感纺织布；(M)超弹性导电SEBS纤维的力学性能测试：可抵抗哑铃自由落体冲击；(N)触觉传感纤维球的可视化结果。

纤维形式也非常适合作为神经探针，来用作生物神经活动的信息采集。对于热拉制纤维来说，引入聚合物基或是金属基的电极较为容易，并且由热拉制多材料纤维作为神经探针，其尺寸可调、生物相容性好，能最大化降低对生物活体的损伤，可长期进行神经活动信号采集（图6A-B）。并且，由于热拉制纤维可复合光波导与神经探针功能于一体，对光遗传学来说是较为优异的器件。此外，在热拉制纤维上还可实现其它功能。例如集成有平面半导体芯片的纤维（图6D-E、K）、单晶体热电纤维（图6F-G）、及可用于织布到织布个人通讯系统的芯片纤维（图6H-J）等。

图6：(A)植入实验鼠的全聚合物的神经探针截面照片及光刺激引发的神经电信号；(B)植入神经探针引发的外周胶质瘢痕和血脑屏障破损；(C)PCF传感光纤工作模式图及SEM截面照片；(D)发光纤维；(E)发光纤维的热拉制过程；(F)热电纤维及其编织成的热电纤维布照片；(G)热电纤维的性能测试结果；(H)带有四个液态金属电极和表面微结构的摩擦电纤维；(I)含有100个芯片的热拉制纤维；(J)织布-织布通讯系统示意图；(K)含有ODMR和铜电极的分布式磁场探测纤维。

总结和展望

近期，归功于扩展的材料范围和内外部结构，热拉制纤维的功能从单一的光波导迈向信息的收集、传递及处理等多方面。因其独特的形态，全纤维器件有望在下一代信息技术领域取得应用。该综述文章较为全面地阐述了热拉制多功能纤维在信息技术领域的发展，对全纤维器件在信息技术领域未来的应用潜力做出了分析展望，并且总结了尚待解决的科学技术问题和解题思路。

作者简介

李凯伟 副教授

吉林大学

李凯伟，吉林大学工程仿生教育部重点实验副教授。目前从事光纤传感器、仿生特种功能纤维器件、数字孪生等方向研究。近年来发表SCI论文70余篇，多项成果被选为期刊封面和亮点文章，并被国内外多家科学媒体重点报道。担任国际期刊Photonics-Basel编委，担任国际期刊Biosensors-Basel，Frontiers in Sensors客座编辑。

魏磊 副教授

新加坡南洋理工大学

魏磊，新加坡南洋理工大学副教授，博士生导师。目前任职南洋理工大学光纤技术中心主任，并担任OSA新加坡分会、IEEE Photonics 新加坡分会主席。主要从事纤维器件的研究工作，包括多功能纤维、神经-纤维界面、智能织物等。

张挺 研究员

中科院工程热物理研究所

张挺，中国科学院工程热物理研究所研究员、博士生导师，中国科学院大学教授，南京未来能源系统研究院新技术中心主任。目前主要从事高性能热电能量转换材料与器件，微纳热传导技术，储氢技术以及基于先进功能纤维的可穿戴柔性能源和传感器件研究。近年来在Nature Communications, EES, Advanced Materials, Matter, Nano Energy等期刊发表论文50余篇,获得专利20多项。研究成果受到了中科院之声，中国科学报和中央电视台新闻频道的专题报道。学术兼职中国材料研究学会热电材料分会理事，InfoMat期刊青年编委，Nanomaterials期刊客座编辑等。

论文信息

Thermally drawn multifunctional fibers: Toward the next generation of information technology

Yanan Shen,Zhe Wang,Zhixun Wang,Jiajia Wang,Xiao Yang,Xinghua Zheng,Haisheng Chen,Kaiwei Li*,Lei Wei*,Ting Zhang*DOI：10.1002/inf2.12318Citation: InfoMat, 2022, e12318

关于InfoMat

《信息材料》（InfoMat）创刊于2019年，由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办，是聚焦信息技术与材料、物理、能源以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究的国产英文学术期刊，创刊主编为李言荣院士。

• 中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊

• 中科院分区工程技术大类1区Top期刊

• 影响因子：25.405

• 国产OA月刊

• 发表原创性研究论文、综述、前瞻性论文

期刊主页：http://www.wileyonlinelibrary.com/journal/infomat

投稿链接：https://mc.manuscriptcentral.com/infomat

编辑部邮箱：[e-mail]

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