可曾想過(guò)“穿”在身上的顯示器?融器件功能、紡織方法、織物形態(tài)于一體，在我們穿的衣服上瀏覽和收發(fā)信息、記錄事件備忘……

如何將顯示功能有效集成到電子織物中，同時(shí)確保織物的柔軟、透氣導(dǎo)濕、適應(yīng)復(fù)雜形變等特性?這是智能電子織物領(lǐng)域的一大難題。

近日，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授彭慧勝領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，成功將顯示器件的制備與織物編織過(guò)程實(shí)現(xiàn)融合，在高分子復(fù)合纖維交織點(diǎn)集成多功能微型發(fā)光器件，揭示了纖維電極之間電場(chǎng)分布的獨(dú)特規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了大面積柔性顯示織物和智能集成系統(tǒng)的應(yīng)用。

北京時(shí)間11日零時(shí)，相關(guān)研究成果以《大面積顯示織物及其功能集成系統(tǒng)》為題在線發(fā)表于《自然》(Nature)主刊，審稿人評(píng)價(jià)其“創(chuàng)造了重要而有價(jià)值的新知識(shí)”。

破解智能電子織物領(lǐng)域難題

織物顯示求索之旅絕不是一條坦途。近十多年來(lái)，彭慧勝團(tuán)隊(duì)始終致力于智能高分子纖維與織物研發(fā)。

2009年，團(tuán)隊(duì)提出聚丁二炔與取向碳納米管復(fù)合以制備新型電致變色纖維的研究思路，然而，電致變色僅在白天可見，晚上則無(wú)法被有效應(yīng)用，使用時(shí)域打了折扣。2015年，團(tuán)隊(duì)在涂覆方法方面取得突破，成功解決共軛高分子活性層在高曲率纖維電極表面均勻成膜的難題，提出并實(shí)現(xiàn)了纖維聚合物發(fā)光電化學(xué)池，并通過(guò)編成織物組成了不同的發(fā)光圖案。但此種方法也有局限之處，經(jīng)由發(fā)光纖維編織所顯示的圖案數(shù)量非常有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)平面顯示器中基于發(fā)光像素點(diǎn)的可控顯示。如何在柔軟且直徑僅為幾十至幾百微米的纖維上構(gòu)建可程序化控制的發(fā)光點(diǎn)陣列，是困擾團(tuán)隊(duì)甚至這個(gè)領(lǐng)域的一大難題。

團(tuán)隊(duì)適時(shí)轉(zhuǎn)換思路。“在織物編織過(guò)程中，經(jīng)緯線的交織可以自然地形成類似于顯示器像素陣列的點(diǎn)陣。”以此為靈感，團(tuán)隊(duì)著眼于研制兩種功能纖維——負(fù)載有發(fā)光活性材料的高分子復(fù)合發(fā)光纖維和透明導(dǎo)電的高分子凝膠纖維，通過(guò)兩者在編織過(guò)程中的經(jīng)緯交織形成電致發(fā)光單元，并通過(guò)有效的電路控制實(shí)現(xiàn)新型柔性顯示織物。

“這就是我們用于編織的發(fā)光纖維材料。”彭慧勝拿起一卷纏繞于紡錘上的纖維介紹道。這些直徑不足半毫米的纖維材料，實(shí)驗(yàn)案臺(tái)上還有多卷，顏色各異，乍一看與生活中的尋常紗線類似。“而當(dāng)我們給它們通上電，它們就顯示出了獨(dú)特一面——會(huì)發(fā)出明亮的光。”他拿起手邊的一件衛(wèi)衣，展示其基本功能，衛(wèi)衣上的復(fù)旦大學(xué)校徽由發(fā)藍(lán)光的纖維編織而成，接通電源后，藍(lán)色的校徽?qǐng)D案在室內(nèi)清晰可辨。

是什么使織物有了顯示特性?其內(nèi)在結(jié)構(gòu)如何?“顯示織物內(nèi)呈現(xiàn)獨(dú)特的搭接結(jié)構(gòu)，由發(fā)光經(jīng)線和導(dǎo)電緯線交錯(cuò)而成。”彭慧勝解釋道。從橫截面方向看，其中一根為涂覆有發(fā)光材料的導(dǎo)電紗線，另一根透明導(dǎo)電纖維通過(guò)編織與其經(jīng)緯搭接。“施加交流電壓后，位于發(fā)光纖維上的高分子復(fù)合發(fā)光活性層在搭接點(diǎn)區(qū)域被電場(chǎng)激發(fā)，就形成一個(gè)個(gè)發(fā)光‘像素點(diǎn)’。”就這樣，在電場(chǎng)的激發(fā)下，電極和發(fā)光層憑借物理搭接即可實(shí)現(xiàn)有效發(fā)光，該方法可以將發(fā)光器件制備與織物編織過(guò)程相統(tǒng)一，利用工業(yè)化編織設(shè)備，制成了長(zhǎng)6米、寬0.2米、含約50萬(wàn)個(gè)發(fā)光點(diǎn)的發(fā)光織物，發(fā)光點(diǎn)之間最小的間距為0.8毫米，能初步滿足部分實(shí)際應(yīng)用的分辨率需求。通過(guò)更換發(fā)光材料，還可實(shí)現(xiàn)多色發(fā)光單元，得到多彩的顯示織物。

穩(wěn)定性好，不怕彎折拉伸水洗

比起傳統(tǒng)的平板發(fā)光器件，發(fā)光纖維直徑可在0.2毫米至0.5毫米之間精確調(diào)控，奠定了其“超細(xì)超柔”的特性。以此為材料一針一線梭織而成的衣物，可緊貼人體不規(guī)則輪廓，像普通織物一樣輕薄透氣，確保良好的穿著舒適度。

伴隨著結(jié)構(gòu)上的精細(xì)化要求，技術(shù)上難題也顯現(xiàn)出來(lái)：如何在如微米級(jí)直徑的纖維上連續(xù)負(fù)載均勻的發(fā)光材料涂層，構(gòu)建得到發(fā)光強(qiáng)度高度一致的像素點(diǎn)陣?

課題組提出“限域涂覆”制備路線，采用柔韌的高分子材料作為發(fā)光漿料基體，將其均一可控地負(fù)載在纖維基底上，即“讓浸漬有發(fā)光漿料的纖維通過(guò)一個(gè)定制的微孔，使不平整的漿料涂層變得平滑，同時(shí)有效控制纖維的直徑”。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)多次涂覆，提升纖維圓周方向的發(fā)光層厚度均勻性，涂覆固化后得到了能抵御外界摩擦、反復(fù)彎折的發(fā)光功能層。

現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用要求也接踵而至。研究發(fā)現(xiàn)，具有高曲率表面的纖維相互接觸時(shí)，在接觸區(qū)域會(huì)形成不均勻的電場(chǎng)分布，這樣的電場(chǎng)不利于器件在變形過(guò)程中穩(wěn)定工作。而穿在身上的衣服難免會(huì)有磕磕碰碰，也需日常清洗。如何能使顯示織物適應(yīng)外界環(huán)境的改變，乃至抵御住反復(fù)摩擦、彎折、拉伸等外在作用力，保證發(fā)光的穩(wěn)定性?

團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)電纖維緯線的力學(xué)性能方面下足了功夫，通過(guò)熔融擠出方法制備了一種高彈性的透明高分子導(dǎo)電纖維。在編織過(guò)程中，該纖維由于線張力的作用，與發(fā)光纖維接觸的區(qū)域發(fā)生彈性形變，并被織物交織的互鎖結(jié)構(gòu)所固定。“通過(guò)對(duì)高分子導(dǎo)電纖維的模量調(diào)控，使其在與發(fā)光經(jīng)線交織時(shí)發(fā)生自適應(yīng)彈性形變，從而形成穩(wěn)定接觸界面，并使得在纖維曲面上形成了類似平面的電場(chǎng)分布，從而確保了織物中‘像素點(diǎn)’的均勻穩(wěn)定發(fā)光。”彭慧勝說(shuō)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在兩根纖維發(fā)生相對(duì)滑移、旋轉(zhuǎn)、彎曲的情況下，交織發(fā)光點(diǎn)亮度變動(dòng)范圍仍控制在5%以內(nèi)，顯示織物在對(duì)折、拉伸、按壓循環(huán)變形條件下亦能保持亮度穩(wěn)定，可耐受上百次的洗衣機(jī)洗滌。(記者 彭德倩 通訊員 楊澤璇)

關(guān)鍵詞： 顯示器 機(jī)洗百次