植物蒸腾是植物水分运输、气孔调控和生长状态评估的核心生理过程，其变化与光照、湿度等微气候参数密切相关。对蒸腾过程进行连续、无扰动和空间分辨监测，对于理解植物水分状态、优化温室管理和发展精准农业具有重要意义。然而，传统植物电子器件多为贴片式薄膜或点式传感器，容易遮挡叶片气孔、扰乱叶面边界层气流，并且难以获得大面积冠层中的空间异质性信息。相比之下，纤维电子材料具有柔性、透气、可编织和可大面积部署等优势，有望构筑分布式植物微气候监测网络。然而，通过纤维热拉技术制备的半导体纤维仍面临关键挑战：一方面，快速冷却容易导致半导体芯层非晶化或缺陷富集，使光电响应弱、暗电流高、线性差；另一方面，植物蒸腾监测不仅需要光照信息，还需要湿度响应，但常规半导体材料对水汽不敏感，而钙钛矿等湿敏材料又容易在水汽作用下发生不可逆降解。因此，如何在同一纤维体系中同时实现稳定光探测和可逆湿度响应，是植物微气候智能纤维发展的核心难题。

  针对上述问题，东华大学朱美芳院士、严威教授团队提出了一种限域调控晶相工程策略，成功构筑了面向植物蒸腾动态监测的半导体纤维系统。该工作在纤维内部引入两种晶相调控机制：通过局部空间限域热重构优化Se半导体芯层结晶，提升光电响应并抑制暗电流；同时将CsPbBr₃纳米晶限域于介孔二氧化硅纳米颗粒中，实现CsPbBr₃/CsPb₂Br₅之间湿度触发的可逆相变，从而获得稳定、可重复的湿度光学读出。该纤维在20–155 mW cm^-2光强范围内保持高线性光响应，10,000次光开关循环后仍保持约50的开关比；湿度响应可稳定循环600次以上。进一步地，研究团队将半导体纤维织造成智能织物，并在真实温室中实现植物微气候的非接触式分布式监测。

  2026年6月12日，相关论文以“Confinement-Regulated Crystal Phase Engineering Enables Semiconductor Fiber Systems for Plant Transpiration Dynamics Monitoring”为题，发表在Advanced Materials上。

限域晶相工程半导体纤维的整体设计

  研究团队通过纤维热拉技术制备含Se半导体芯层的连续光电纤维，并进一步利用局部热重构实现Se芯层的限域结晶调控（图1a）。与此同时，研究团队在纤维表面构筑CsPbBr₃@MSNs湿度响应包层，使其在湿润/干燥过程中发生CsPbBr₃/CsPb₂Br₅之间的可逆相变（图1a）。连续制备的半导体纤维展示出良好的可规模化制造能力（图1b）。与已有纤维光探测器相比，该纤维在接近一太阳光照强度的高辐照条件下仍保持约50的光电开关比（图1c），同时在信号独立性、透气性、可扩展性、机械柔性、多模态感知和综合传感性能方面表现出更均衡的优势（图1d）。最终，半导体纤维可被织造成大面积智能织物，图中“SKLAFM”图案展示了其良好的织物化集成潜力（图1e）。

Se芯层限域结晶提升光电性能

  为构筑稳定的核心光电传感单元，研究团队首先对PSU包层和CPC电极材料进行了流变学表征，结果显示二者在230–240 ℃范围内复黏度高度接近，并在约234 ℃处达到适宜热拉窗口（图2a）。热拉所得纤维截面保持了良好的结构完整性，Se芯层与CPC电极之间形成稳定界面（图2b）。由于热拉后Se芯层初始为非晶态，存在较多结构无序和深能级陷阱，光电响应较弱。通过空间限域热处理后，Se芯层出现三方晶相特征；TEM和SAED结果进一步证明其形成致密多晶结构，晶粒尺寸约30 nm（图2c）。限域结晶后，纤维光响应度由2.92 × 10^-8 A W^-1提升至1.63 × 10^-6 A W^-1，提高超过两个数量级（图2d）。在20–155 mW cm^-2光强范围内，纤维电流与光强呈高度线性关系（图2e）。此外，在155 mW cm^-2、10 V偏压条件下连续测试10,000次，器件仍保持约50的稳定开关比，表明其具备长期植物光照监测所需的循环稳定性（图2f）。

CsPbBr₃@MSNs实现可逆湿度响应

  在稳定光探测的基础上，研究团队进一步引入湿度响应型钙钛矿材料，以应对植物蒸腾过程中动态湿度变化。传统CsPbBr₃在水汽作用下容易不可逆转变为非发光CsPb₂Br₅，导致湿度响应难以长期稳定。为解决这一问题，研究团队将CsPbBr₃纳米晶限域在介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）中，使其孔道成为局部纳米反应器，限制Cs⁺等离子的扩散和流失（图3a）。TEM结果显示CsPbBr₃成功填充进入MSNs孔道，EDS元素分布进一步证明Si和Br分布均匀，复合颗粒尺寸约197 nm（图3b, c）。在湿润条件下，CsPbBr₃@MSNs由发光CsPbBr₃转变为非发光CsPb₂Br₅，HRTEM晶面间距由0.290 nm转变为0.263 nm，同时XRD出现CsPb₂Br₅特征峰；干燥后，材料又恢复为CsPbBr?晶相（图3d-f）。其PL峰位位于503 nm，半峰宽约22 nm（图3g），在不同相对湿度下表现出快速荧光淬灭/恢复行为（图3h）。经过20次湿润-干燥循环后，PL强度仍保持初始值的90%以上，证明该限域相变具有良好的可逆性和循环稳定性（图3i）。

同轴涂覆构筑稳定湿度响应包层

  为了将CsPbBr₃@MSNs稳定集成到纤维表面，研究团队设计了基于SEBS的溶剂诱导聚合物限域涂覆体系。环己烷可选择性溶胀SEBS中的乙烯-丁烯链段，并促进形成物理交联网络，从而限制CsPbBr₃@MSNs聚集；相比之下，甲苯会完全溶解SEBS的两类链段，导致颗粒快速聚集和沉降（图4a，b）。随后，研究团队利用连续浸涂工艺构筑同轴功能包层，并通过有效黏性负载ηU调控涂层形貌。当ηU过低时，涂层过薄并出现去润湿和条纹；当ηU过高时，湿膜过厚并产生重力排液或表面不稳定；只有在中间Landau-Levich稳定窗口内，才能获得均匀、连续、缺陷较少的同轴包层（图4c）。涂覆前后纤维I-P曲线几乎重合，说明功能包层对Se芯层光电响应影响较小（图4d）。在365 nm紫外激发下，连续涂覆纤维呈现明亮绿色发光（图4e），并在600次连续湿度循环中保持稳定光学开关行为（图4f）。同时，纤维在0.1 mm^-1弯曲曲率下仍保持稳定光电流，经过500次弯曲循环后光电流和PL强度均保持90%以上，表明其适用于动态农业环境中的长期监测。

智能织物实现植物微气候空间映射

  基于上述半导体纤维，研究团队进一步构筑了非接触式悬浮织物传感平台。该平台由6根功能纤维交织形成3 × 3独立寻址阵列，可在不接触叶片的情况下监测植物周围光照和湿度变化，从而避免遮挡气孔或扰乱叶面边界层（图5a, b）。织造后，各节点仍保持良好的光响应均匀性（图5c）。在模拟日照变化测试中，织物光电流能够随太阳辐照度变化同步响应，说明其可用于连续追踪植物所处光环境（图5d）。湿度标定结果显示，归一化PL强度与50–90% RH之间符合Boltzmann型衰减关系，R²≈0.9979，为湿度定量读取提供了可靠基础（图5e）。在空间分辨测试中，节点间距约0.5 cm的织物阵列能够精确识别局部遮光区域，并重构斜入射光照形成的连续强度梯度（图5f, g）。相比之下，水汽快速扩散使湿度响应在织物上呈现较均匀分布（图5h）。进一步地，研究团队将智能织物部署于真实温室环境中，连续监测湿度和PL强度变化，并通过九节点阵列识别温室内部小于10 mW cm^-2的空间光照差异（图5i-k），展示了其面向精准农业的实际应用潜力。

总结与展望

  该研究通过限域调控晶相工程，解决了通过纤维热拉技术制备半导体纤维中光电性能不足和湿度响应不可逆的关键问题，实现了稳定光探测、可逆湿度响应、连续纤维制备和织物化集成。相比传统贴片式植物电子器件，该半导体纤维织物具有良好的透气性、柔性和空间可扩展性，可在不干扰植物自然蒸腾过程的前提下，实现分布式微气候监测。该工作不仅为植物蒸腾动态分析和精准农业提供了新的传感平台，也为半导体纤维、智能织物和多模态环境监测器件的发展提供了新的设计思路。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73693