電致發(fā)光纖維以其輕質、柔韌、易集成等特點，成為可視化電子紡織品發(fā)展的重要方向。然而，目前電致發(fā)光纖維依賴石油基體、復雜的高電壓驅動和嵌入式傳感器，限制了它們對可持續(xù)、輕量化和視覺直觀的可穿戴電子產品適用性。
近日，西安工程大學武海良教授課題組姚一軍副教授聯(lián)合新加坡國立大學Seeram Ramakrishna團隊通過共軛靜電紡絲、涂層和包覆技術制備了一種具有同軸結構的柔性高亮度絲素基交流電致發(fā)光纖維（SFELF），它由內電極、介電層、發(fā)光層和外電極組成。通過對發(fā)光層基質絲素精確設計以調整其β-折疊二級結構，賦予SFELF出色的機械韌性（5.29 MJ m?3）和高亮度（高達366 cd m?2），優(yōu)于聚二甲基硅氧烷、熱塑性聚氨酯和纖維素基質的同類材料。值得注意的是，SFELF纖維在超過10,000次彎曲循環(huán)后保持穩(wěn)定的亮度，表明其優(yōu)越的機械耐久性和穩(wěn)定性。此外，即使在結構外電極被移除后，纖維仍保持其靈敏的觸摸激活發(fā)光性能，可通過外部電場或熱場進行調制，而無需外部電源。這種發(fā)光現象可通過手指或金屬材料觸摸實現。在潛在的智能紡織品應用方面，SFELF集成了摩擦電和液體傳感功能，實現了實時可視化監(jiān)控，為人機交互提供巨大潛力。
相關工作以“Flexible Silk-Fibroin-Based Electroluminescent Fiber with External-Field-Driven Touch Response and Triboelectric Sensing for Smart Wearables”為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。文章第一作者是西安工程大學紡織科學與工程學院碩士研究生謝其原，指導教師姚一軍副教授為通訊作者，共同通訊作者包括新加坡國立大學Seeram Ramakrishna教授和西安工程大學張鵬飛教授、張振方博士。該研究工作得到國家自然科學基金和陜西省創(chuàng)新能力支持計劃等項目支持。
設計與制備
圖1 SFELF的制備及發(fā)光機理。a) SFELF制備過程；b) SFELF制備過程中形態(tài)變化；c-d) SFELF電致發(fā)光機制；e) 外電極和發(fā)光層之間接觸處形成局部電場促使SFELF發(fā)光原理。
微觀結構
圖2 表面形貌。鍍銀尼龍紗a) 、介電層包覆纖維b) 和SFELF c)的外觀和表面形態(tài)；d-i) SFEFL截面SEM和EDS圖。
SF與ZnS:Cu之間相互作用
圖3 SF與ZnS:Cu的分子動力學模擬
力學性能
圖4 SF在SFEFL中的作用。a) SF膜透光率；b)脫膠后SF、SFF和SFELF的FTIR光譜；c) 不同酸化程度SFELF的FTIR光譜；d) SFELF和酸化SFELF二級結構比例；e) PVDF、SFELF和酸化SFELF的XRD光譜；f) SFF、SFELF和酸化SFELF機械性能；g) SFELF發(fā)光循環(huán)穩(wěn)定性（插圖展示了SFELF在彎曲過程中發(fā)光狀態(tài)）。
發(fā)光性能
圖5 影響SFELF發(fā)光亮度因素。a) BaTiO3含量對SFELF亮度影響；b) BaTiO3含量對介電常數影響；c) 介電性影響發(fā)光亮度機制；d) ZnS:Cu含量對SFELF發(fā)光亮度影響；e) 手機屏幕亮度；f) SFELF等效電路結構；g) 不同介電層厚度SFELF微觀結構；h)不同介電層厚度SFELF電致發(fā)光亮度。
圖6 SFELF的光學性能。a) SFELF光致發(fā)光外觀；b) SFELF光致發(fā)光譜圖；c) SFELF光致發(fā)光CIE圖；d) SFELF亮度隨電壓變化；e) SFELF在不同電壓下光譜變化；f) SFELF亮度隨頻率變化；g) SFELF在不同頻率下發(fā)光光譜；h) 不同頻率下SFELF的 CIE圖；i) SFELF不同電場強度下發(fā)光外觀；j)與其它ACEL設備亮度對比；k) SFELF縫制在織物上發(fā)光外觀。
外場驅動觸摸發(fā)光
圖7 外場驅動SFELF觸控發(fā)光。a) 電場驅動下SFELF的觸控發(fā)光機制；b) SFELF在電場環(huán)境中觸摸發(fā)光；c) SFELF在電場環(huán)境中未被觸摸發(fā)光消失；d) SFELF在電場環(huán)境中滑動發(fā)光；e) SFELF在熱場環(huán)境下被不同材料觸控后發(fā)光外觀；f) SFELF在不同溫度下觸控發(fā)光外觀；g) SFELF在熱場驅動下觸摸發(fā)光機制。
智能紡織品應用
圖8 SFEFL的應用探索。a) SFELF摩擦電傳感機制；b) SFELF最大開路電壓；c) SFELF最大短路電流；d) SFELF通過芯片連接實現摩擦電信號的無線藍牙傳輸；e)監(jiān)測手腕運動信號；SFELF治療黃疸f)及在醫(yī)療護理g) 中應用示意圖；h)SFELF和無外電極SFELF縫在白色T恤上，分別形成“笑臉”和“哭臉”圖案；i)按壓“哭臉”圖案（Ⅰ.“笑臉”在不同頻率下發(fā)光；II.“哭臉”在不同頻率下液體響應發(fā)光；III.產生摩擦電信號）。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202514650
