NUS郑志强《自然·通讯》：水凝胶、氟聚物联合！可致动的完全自愈合的电致发光纤维

【研究背景】

光是人类与机器之间数字通信的主要方式。纤维在从服装到光通信等多种技术中起着重要作用。交流电致发光纤维本身具有柔韧性，能够弯曲、扭曲并适应狭窄空间，可赋能智能纺织品和软体机器人。然而，在使用过程中，这些纤维可能会遭受机械损伤，从而导致器件性能下降或失效。开发具有如同人类皮肤自愈合功能的电致发光纤维能够提供一种智能的解决方案。目前电致发光纤维尚未实现完全自愈合。这与器件的多材料多层结构及其高曲率界面的相容性挑战有关。纤维的每一层材料都必须具有自愈合能力，而外层电极还需满足透明性、导电性要求。另一方面，开发可致动的发光纤维有望实现能耗更低、结构更紧凑的发光纤维机器人。

【内容简介】

基于这一思路，新加坡国立大学Benjamin C. K. Tee(郑志强)课题组结合团队此前在自愈合高介电材料方面的研究基础（Nat. Mater. 2020, 19, 182-188），开发了一种新型自愈合纤维材料系统，不仅能够发光，还能实现磁致动，所制备的纤维命名为Scalable Hydrogel-clad Ionotronic Nickel-core Electroluminescent (SHINE) fibre。该纤维先通过湿法纺丝技术制备双层同轴氟聚物复合纤维，再通过离子诱导凝胶化机制在其表面引入吸湿性水凝胶层制备得到。内层为镍复合材料，提供导电性和磁响应性；中间层为电致发光活性层；外层为吸湿性水凝胶，提供导电性和透明性（图1）。由于每一层材料都具有自愈合能力，因此纤维被完全切断后，仍可以自愈合并恢复初始亮度的98.6%，且恢复后的亮度可以在室内环境条件下保持稳定超过10个月。通过工艺优化，纤维可以在5.7 V × μm^-1电场下达到创纪录的1068 cd × m⁻²的亮度，也可以通过卷对卷工艺实现规模化制备。该纤维具有全方向的磁致动和电致发光特性，在发光软体机器人和互动显示中具有潜在的应用价值，也有望启发更多纤维电子器件和纤维机器人的设计。相关文章以标题“Self-healing actuatable electroluminescent fibres”发表在Nature Communications期刊，第一作者为：Xuemei Fu, Guanxiang Wan, Hongchen Guo。

图1. SHINE fibre的设计及特征概览。

【制备与性能】

纤维的内电极和电致发光活性层通过相分离驱动的湿法纺丝方法制备得到。其中，内电极由镍颗粒和氟聚物PVDF-HFP组成（简称Ni/PVDF-HFP）；电致发光活性层则由硫化锌颗粒和氟聚物PVDF-HFP组成（简称ZnS/PVDF-HFP）。PVDF-HFP作为一种高介电常数的粘结剂，能够增强低电场下的发光亮度。此外，我们还在这两种复合材料中添加了少量具有表面活性剂和增塑剂作用的Zonyl FS-300，以引入偶极-偶极相互作用，从而增强该两层同轴纤维的自愈合能力。

对于外层透明电极，我们设计了一种离子导电的吸湿性水凝胶。利用离子诱导凝胶化机制，水凝胶前驱体可以在疏水的氟聚物复合纤维上自发形成一层均匀的水凝胶层，再在常温下将水凝胶层干燥至平衡状态后，就得到具有优异透明性、导电性和稳定性的水凝胶电极。所用材料为一种基于海藻酸钠-氯化钙（简称SA-C）的水凝胶网络，再加入氯化锂（LiCl）作为主要的导电离子，并引入聚乙烯醇-十水合四硼酸钠（简称PVA-B）水凝胶网络（PVA-B提供动态的硼酸酯键）和甘油（Gly）来实现水凝胶电极的自愈合能力。其中，甘油具有增塑剂和保水作用，LiCl和CaCl₂也具有很强的保水吸湿能力。

通过材料选择和工艺优化（图2），我们可以在5.7 V × μm^-1电场下实现交流电致发光纤维领域创纪录的亮度（1068 cd × m⁻²），并且亮度可以在室内环境条件下保持稳定超过10个月。此外，我们也可以通过卷对卷工艺实现纤维的规模化制备。

图2. SHINE fibre的制备方法与发光性能。

【自愈合】

高亮度的自愈合电致发光纤维的实现需要解决两个相容性难题。首先，在制造纤维时，需要良好的界面润湿性。但在将水凝胶涂覆在疏水的氟聚物纤维上时，会存在界面润湿性差的问题。我们通过用盐溶液（提供离子）预处理氟聚物复合纤维，可以利用离子诱导凝胶化机制驱动水凝胶前驱体在纤维上形成更均匀的水凝胶层。其次，纤维所有层之间需要具备兼容的自愈合条件。加热通常能促进氟聚物的自愈合，但会导致水凝胶失水而功能下降。我们通过水凝胶配方设计和自然干燥处理得到吸湿性水凝胶电极，借助水凝胶电极在回到室温条件后可以吸湿恢复加热前的含水量和导电率的能力，解决了外层水凝胶电极与内部氟聚物纤维之间的自愈合条件不兼容难题。以上策略使得SHINE纤维具有极高的发光亮度，并且在完全断裂后依然能够恢复初始亮度的98.6%，还可以在室内环境条件下保持恢复后的亮度稳定超过10个月（图3）。

图3. SHINE fibre的自愈合策略和性能。

【磁致动】

镍颗粒作为铁磁导电填料，不仅有助于内层电极中建立电子传输路径，还使得纤维能够实现磁响应致动。通过结合纤维的电致发光、自愈合和磁致动功能，最终我们构建出切断后可自愈合的、可全方向致动的通体发光纤维机器人（图4）。

图4. SHINE fibre的磁致动功能。

【总结】

本文报道了一种磁致动的、完全自愈合的交流电致发光纤维。该纤维具有优异的发光亮度和储存稳定性，并能通过可规模化的制造工艺制备得到。此外，纤维也可以通过无线供电的方式点亮，还具有电容式接近度传感功能。该纤维本征的多功能集成策略，有望革新未来纤维电子器件和纤维机器人的设计，特别是在自愈合和磁响应功能的开发上。