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  基于纖維或紡織品的可穿戴傳感器因在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。可重復(fù)性和高靈敏度對(duì)可穿戴傳感電子學(xué)具有重要意義。纖維表面微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的發(fā)展為提高纖維基傳感器的靈敏度提供了一條新的途徑。以化學(xué)物理沉積和三維打印為代表的二次加工技術(shù)是制備表面微結(jié)構(gòu)的主要方法。然而，這些方法除了技術(shù)路線復(fù)雜外，也可能引起纖維基材性能的下降。到目前為止，還沒有關(guān)于一步法制備表面具有規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電纖維的報(bào)道。如何簡(jiǎn)單、高效地在纖維制備過程中同步在表面形成規(guī)則的微陣列結(jié)構(gòu)，以提高纖維對(duì)外界刺激的反應(yīng)靈敏度仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

  基于此，揚(yáng)州大學(xué)高強(qiáng)副教授研究組在前期研究基礎(chǔ)（Compos Commun, 2021, 25, 100700.，J Mater Chem C, 2020, 8, 4564-4571.）上，提出采用離子誘導(dǎo)的自組裝策略，在聚(3，4-乙二氧基噻吩)：聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT：PSS)纖維連續(xù)大規(guī)模制備的同時(shí)構(gòu)筑具有均勻陣列結(jié)構(gòu)的纖維表面（圖1）。該方法不需要后處理或苛刻的反應(yīng)條件，基于傳統(tǒng)的濕法紡絲過程，在水-乙醇的凝固浴體系中引入Cu²⁺， PEDOT：PSS纖維表面即可自發(fā)形成絨毛狀的微結(jié)構(gòu)。由于絨毛狀陣列結(jié)構(gòu)的存在，仿生PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維的比表面積較原始PEDOT：PSS纖維增加了5倍，從而使其制備的觸覺傳感器具有低的檢測(cè)下限(~82 Pa)和快速響應(yīng)時(shí)間(47 ms)。值得注意的是，這種離子輔助技術(shù)具有較好的拓展性，可以實(shí)現(xiàn)具有豐富特殊形貌PEDOT：PSS纖維的制備，尤其是把凝固浴作為“反應(yīng)池”的想法為傳統(tǒng)濕紡技術(shù)和纖維表面形貌設(shè)計(jì)提供了一條獨(dú)特而有效的路徑。

圖1. 表面具有仿生絨毛狀陣列結(jié)構(gòu)的PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維設(shè)計(jì)思路與制備過程。(a) PEDOT:PSS-Cu²⁺纖維的仿生設(shè)想，(b) PEDOT:PSS-Cu²⁺纖維的制備工藝，(c) PEDOT:PSS-Cu²⁺纖維表面絨毛狀陣列的SEM照片，(d) PEDOT:PSS-Cu²⁺纖維的截面與(e) 核殼結(jié)構(gòu)的SEM照片，(f) 通過打結(jié)展示柔性。

  仿生PEDOT: PSS-Cu²⁺纖維表面絨毛狀陣列結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑分為三部分，包括凝固浴中PEDOT：PSS纖維的相分離，表面晶種（聚電解質(zhì)絡(luò)合物）的形成以及微結(jié)構(gòu)的自組裝生長(zhǎng)。通過控制凝固浴的微環(huán)境可以構(gòu)筑不同長(zhǎng)度與分布密度的表面絨毛狀陣列（圖2）。

圖2. 仿生PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維的形貌表征與絨毛狀陣列結(jié)構(gòu)的成型機(jī)理。PEDOT:PSS-Cu²⁺纖維表面微結(jié)構(gòu)的SEM照片：(a) fibers (0 min, 0 min)，(b) fibers (5 min, 0 min)，(c) fibers (2 min, 180 min)，(d) fibers (10 min, 180 min)，和(e) fibers (5 min, 180 min)，(f) 從種子晶體到類絨毛陣列結(jié)構(gòu)自組裝過程原理圖。*注：fibers  (x min, y min)指的是制備的PEDOT:PSS-Cu²⁺纖維在凝固浴中停留x 分鐘，在空氣中停留y分鐘。

  由于表面陣列結(jié)構(gòu)的存在，制備的仿生纖維具有良好的傳感特性，尤其是對(duì)外界壓力刺激展現(xiàn)出快速的反應(yīng)時(shí)間以及穩(wěn)定可重復(fù)的信號(hào)響應(yīng)（圖3）。

圖3. 仿生PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維對(duì)(a)拉伸、(d)彎曲與(g)按壓過程的傳感響應(yīng)，(b) PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維拉伸受力下的相對(duì)電阻變化，(c)不同頻率拉伸循環(huán)下，(e)不同角度彎曲，(f)60度下周期性彎曲以及(h)周期性按壓下仿生纖維的實(shí)時(shí)電阻變化，(i)按壓PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維基傳感器展示出僅需47 ms的快速響應(yīng)時(shí)間。

  文章進(jìn)一步展示了這種仿生纖維在微氣流檢測(cè)、實(shí)時(shí)信息傳輸和重力/壓力傳感方面的潛在應(yīng)用（圖4）。

圖4. 仿生PEDOT：PSS-Cu²⁺纖維在(a)微氣流監(jiān)測(cè)、(e)實(shí)時(shí)信息傳輸以及(f)重力感應(yīng)的應(yīng)用展示，(b) 隨氣流速度的增加電阻信號(hào)迅速增加，(c)以3.5 m?s^-1的氣流速度下測(cè)量500次氣流開關(guān)循環(huán)下的仿生纖維的實(shí)時(shí)電阻變化，(d) 集成在織物中的仿生纖維，(g)測(cè)量壓力/重力分布的傳感器應(yīng)用。

  相關(guān)成果以“Surface engineering via self-assembly on PEDOT: PSS fibers: Biomimetic fluff-like morphology and sensing application”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》（IF=13.273）。揚(yáng)州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士研究生王鵬與王明序（日本信州大學(xué)博士在讀）為論文的共同第一作者，通訊作者為揚(yáng)州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院高強(qiáng)副教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131551