衣服是与人类文明的发展和生产力的进步息息相关的代表性产物。从原始部落的兽皮开始，到象征社会阶级地位的袍出现，以及后来纺织业带来的工业革命，都证明人类社会发展和服装的紧密联系。毫无疑问未来世界将是一个智能的世界，而未来的服装将是和人体最贴身的可穿戴设备，这也是可穿戴设备是研究热点之一的主要原因。可穿戴电子设备在近年来一直都是热门研究课题，备受瞩目且市场份额逐年增长，仅在2018年全球市场份额就已经超过了20亿美元。纤维作为纺织的最基本的单元，一直决定未来的时尚发展趋势，而功能性纤维也是未来的可穿戴设备大规模使用的决定性和关键性材料。

  近日，英国曼彻斯特大学刘旭庆、诺桑比亚大学Ben XU和剑桥大学、兰州大学等研究人员合作在Small上发表了题为“Fibre Surface/Interfacial Engineering on Wearable Electronics”的综述，系统地总结了“纤维表界面科学与分子工程”在可穿戴设备的应用。纤维作为可穿戴最基本的单元，能够通过表界面修饰赋予纤维更多的性能。因此总结归纳以往的方法和探究新的改性方案对未来发展可穿戴电子设备是相当有助益的。

  纤维按照材料来源可以分为天然纤维和合成纤维两种。天然纤维的最终产品通常是可生物降解的、无毒的、重量轻的、具有高比强度和抗疲劳性。然而天然纤维的局限性也很明显，特别是它们的高吸湿性、不规则的机械性能、较差的耐化学性和耐火性，以及与聚合物基质的界面相互作用较差，严重限制了进一步的深入应用。合成纤维比天然纤维具有更广泛的应用，但也存在穿着舒适度下降的问题，不得不以此牺牲来换取更高的机械强度、导电性、防水性等。这些缺点显着降低了当前基于纺织品的可穿戴电子设备的性能。由于纤维是基于纺织品的可穿戴电子产品的关键组成部分，因此有必要通过纤维表界面修饰改性，赋予纤维更多的性能来获得性能更好的材料，以改善这两种纤维的原有缺点。

图1  可穿戴电子设备的部分具体应用

  综述中总结了多种不同的针对基于纺织品的可穿戴电子设备的纤维部分的表面修饰方法，高度概括了以往常用的物理修饰法和化学修饰法，包括物理修饰中的等离子激发、辐射、退火、表面沉积和微晶生长，化学修饰中的酸碱化处理、硅烷化处理、天然纤维的乙酰化、苯甲酰化处理、马来酸偶联剂、高锰酸化处理、过氧化处理等等。然而，无论是物理还是化学表面修饰，最终的纤维表面通常都会形成牢固的共价键或通过相似的分子相互作用相互结合。共价连接或类似的强相互作用力通常会破坏一些原始的共轭结构，这会极大地损害原始材料的性能，而这种情况在大众所熟知的石墨烯处理中尤为严重。石墨烯本身的高导电性依赖于其独特的二维结构和碳sp2杂化，因此共价键和额外官能团的引入将严重影响其结构的规律性并降低石墨烯的独特性能。于是作者课题组引入了一种新的表面/界面工程方法，即通过π-π堆叠自组装修饰纤维表面，该堆叠基于非共价力，类似氢键、静电相互作用，属于非破坏性的工作原理，在纤维材料的表面改性方面具有巨大的潜力， 也是作者课题组目前努力的方向。此类修饰有望在未来的织物复合材料中得到广泛应用， 作者课题组也做了初步的探索性工作，如Composites Part B: Engineering 2021, 220, 108983。另一个典型的应用成果就是石墨烯-聚多巴胺处理的芳纶纤维和利用红酒中单宁酸处理和化学沉积而制成的柔性导体Advanced Science 2020, 7 (23)。

  这篇综述还展望了新的材料在功能性纤维领域的应用，如——有机金属骨架（MOF） 纤维，有望在基于纤维的可穿戴电子产品领域发光发热。MOF是由金属离子或簇与有机配体配位形成1D/2D/3D结构的一系列化合物，由于其大的比表面积、丰富且可控的多孔结构和多样的拓扑结构，在能量存储、气体吸附/分离、光催化和药物输送等领域应用颇有前景。特别是其拥有大量开放的活性位点，可以极大地支持电解质等不同分子的进入，极大地促进了其在超级电容器等储能领域的应用，因此成功和纤维组合发展成了不少新的可穿戴电子设备，例如ZIF-67碳MOF纤维就取得了1756 mF/cm² 的超高面积电容和高达829 F/g的比电容，而这仅仅只需要 1.9 mg/cm² 的ZIF-67载量。该综述促进了对纤维材料表面/界面工程技术的理解，有望指导未来基于纤维的可穿戴电子设备的合理设计。

图2  典型的π-π堆叠自组装：（a）辐照后在 聚对苯二甲酸乙二醇酯上生长的石墨烯；（b）氧化石墨烯-聚多巴胺处理的芳纶纤维制备过程（c）通过单宁酸改性和化学沉积制造柔性导体

  论文发表在Small上，第一作者是博士研究生肖瑞敏，通讯作者为英国曼彻斯特大学材料学院刘旭庆和诺桑比亚大学Ben XU教授。

  论文链接： https://doi.org/10.1002/smll.202102903

  英国曼彻斯特大学有着悠久的纺织学科历史，纺织学科在第一、二次工业革命在此应运而生，这里也是化工学科的诞生地。刘旭庆课题组近年来致力于解决纤维材料科学的前端技术问题，开展了功能性纤维、功能性纤维复合材料和时尚行业可持续性发展等方面研究工作。刘旭庆课题组建立了纤维表面分子工程实验室，研发了多种新型功能性面料和功能性织物，发表了如Composites Part B: Engineering 2021, 220, 108983; Advanced Science 2020, 7 (23), 2002009; Nano Energy, 2020, 104926; ACS Nano 2020, 14, 7, 8191–8201;  ACS Nano 2020, 14, 1, 559–567; Nano Lett. 2019, 19, 9, 6592–6599; Small 2019, 15, 190244; Chem. Mater. 2020, 32, 1, 234–244等系列研究工作。他课题组在纺织业污水领域处理领域也进行了深入研究，发表了Chemical Engineering Journal, 2021, 419, 129542; Journal of Hazardous Materials 2021, 403, 123587; ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12 (49), 54936-54945; Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1900564等研究成果。