導電高分子纖維（Conducting Polymer Fibers, CPFs）作為兼具金屬導電性與傳統高分子機械柔韌性的新興材料，已被廣泛應用于可穿戴電子、柔性儲能/轉換器件、邏輯電路、電化學傳感器與驅動器、熱電裝置及生物探針等前沿領域。與二維薄膜相比，纖維結構因其高取向度與結晶性，展現出更優的電荷傳輸能力與力學性能，特別適用于貼合人體復雜表面的可穿戴系統。因此，開發具有優異性能的CPFs及將其集成系統非常重要。
近日，香港理工大學方波團隊在國際著名期刊《Advanced Materials》上發表了題為“Progress and Prospect for Conducting Polymer Fibers”的綜述論文，系統梳理了CPFs領域的發展歷程、關鍵材料體系、制備工藝、結構性能關聯與前沿應用，并對CPFs發展的未來挑戰和機遇進行了展望。該綜述首次構建了涵蓋“原材料—溶液分散行為—制備方法—結構性能關系—前沿應用”的全鏈條知識圖譜，為CPFs研究提供了全面而前瞻性的參考。
圖1 綜述內容框架。
該綜述從CPFs發展的里程碑事件切入，并匯總了單組分CPFs和多組分復合CPFs的連續化制備進展。詳細討論了主流的CPFs研究發展歷程，系統梳理了六類主流P型與N型CPFs。作者強調，溶液加工是目前制備CPFs的主流工藝，解決溶解性難題是實現其連續化制備的核心瓶頸。為此，總結了三類提升溶解性的策略：（1）共聚或嵌段聚合可溶高分子；（2）側鏈工程調控溶劑相容性；（3）化學摻雜改性（如PSS提升PEDOT水溶性）。
文章重點聚焦四類溶液紡絲方法：濕法、靜電、干法與氣流紡絲，指出濕法紡絲仍是實現性能最優的主力工藝。作者介紹了濕法紡絲制備高性能CPFs的核心策略：（1）二次摻雜劑促進PEDOT鏈結晶（乙二醇EG，聚乙二醇PEG，二甲基亞砜DMSO等）；（2）改進濕法紡絲工藝調控微觀結構（例如良溶劑交換實現超高倍率拉伸、剪切流動驅動高分子鏈解纏結增強結晶、酸快速洗脫絕緣PSS并誘導PEDOT結晶等）；（3）精準軸向拉伸增強取向。
圖2 導電高分子溶解性提升策略。
導電性、機械強度/柔韌性和電化學性能是CPFs的關鍵屬性，決定了它們在各種設備應用中的性能。在此，作者指出CPFs的性能優化本質上依賴于分子→鏈堆疊→凝聚態→宏觀形態的跨尺度協同設計，這一關聯的深入理解是突破性能瓶頸的核心。
（1）導電性由分子到宏觀層面的跨尺度耦合效應的支配：鏈內傳輸提供高速電荷通道，依賴于主鏈的共軛長度和剛性平面構象。長共軛結構通過增強π-π軌道耦合降低能壘。鏈間傳輸由次級（π堆疊、層狀排列）和三級結構（晶區/非晶區比例）主導，遵循跳躍傳輸模型。緊密π堆疊縮短鏈間距，提升電荷跳躍效率；高結晶度（如酸處理誘導）減少傳輸屏障，結晶區占比越高導電性越優（如H?SO?處理的PEDOT:PSS纖維達4000 S cm?1）。非晶區中的連接鏈（tie chains）對跨越晶區至關重要。而摻雜通過載流子注入和微結構優化實現半導體到導體的轉變。
（2）機械性能的突破源于鏈排列、結晶度、取向度、缺陷控制和宏觀形狀等因素的協同作用：高強度依賴剛性與有序化，高拉伸性需引入拓撲耗能結構或彈性基體化解本征剛性沖突。
（3）電化學性能取決于分子構型-鏈排列-多級孔道-表面化學的跨尺度協同作用：高電容需平衡比表面積與導電網絡，高效離子傳輸依賴孔道拓撲優化與鏈取向設計，而穩定性源于本征化學耐性與抗應變微結構的結合。
圖3 CPFs的多級微結構。
綜述總結了CPFs在柔性導線、熱電器件、能源儲存、傳感器、驅動器、生物醫學和生物電子界面等多個前沿領域的廣泛應用，并展望未來導電高分子纖維及全導電高分子纖維織物集成多功能系統的潛力。
圖4 用于結構功能集成應用的單根CPF長絲和All-CPF織物的未來展望。
總體而言，該綜述圍繞“原材料—溶液分散行為-制備方法-結構性能關聯—前沿應用”全鏈條，構建了CPFs發展的知識體系。作者強調結構調控與協同設計是性能突破的關鍵，并為未來CPFs走向規模化、高性能、多功能提供了戰略路徑。該論文得到了香港研究資助局，國家自然科學基金，香港理工大學智能可穿戴系統研究院項目，香港理工大學未來服裝紡織科技研究中心項目，香港理工大學啟動基金的資助。
原文鏈接 https://doi.org/10.1002/adma.202504071
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