北京大学雷霆团队 Sci. Adv.：高电学性能的超韧有机半导体纤维的连续制备

2024-04-05 来源：高分子科技

纤维具有独特的一维结构、优异的柔韧性和可编织性，非常适合无缝集成到织物和可穿戴设备中，在可穿戴电子领域展现出巨大的潜力。对于纤维电子而言，机械性能和电学性能都至关重要。然而，目前同时实现良好的机械性能和器件性能仍面临挑战。共轭高分子优异的光电性能使其具有广阔的应用前景，将其加工成纤维将进一步拓展其在可穿戴设备中的应用。然而，共轭高分子较差的机械性能和不成熟的纺丝工艺阻碍了其在纤维电子和可穿戴领域的应用。

近日，北京大学雷霆团队提出了“流动增强结晶”（flow-enhanced crystallization，FLEX）的湿法纺丝技术，成功将多种共轭高分子纺成纤维，并实现了纤维的连续化生产（图1）。与传统的湿法纺丝方法不同，作者提出减少高分子聚集，促进高分子链在拉伸流和剪切流作用下解聚的思路，通过进一步调控凝固浴中的溶剂扩散模式和后牵伸，增强了高分子链在纤维中的有序排列和结晶。

图1. 文中使用的高分子半导体材料和FLEX连续纺丝方法示意图

共轭高分子由于强烈的π-π相互作用，在溶液中严重聚集，难以取向排列形成高质量纤维。作者发现通过降低纺丝液浓度和调控纺丝过程中的流体剪切和拉伸作用，可以使严重聚集的共轭高分子解聚并沿流动方向取向排列（图2A）。进一步通过调控纺丝针头参数及凝固浴中的扩散模式（图2D），获得了良好取向和结晶的高分子半导体纤维（图2B）。有趣的是，作者在纤维中观察到烷基侧链的有序排列和结晶行为（图2C），这种现象在薄膜中从未观察到过。

图2. 流体作用下共轭高分子的解聚、取向与结晶

FLEX方法增强了高分子链在纤维中的有序排列和结晶，使制备的半导体纤维具有优异的机械性能，其力学性能达到甚至超过多种合成纤维，远超有机半导体薄膜材料（图3A-B）。后牵伸进一步增强了分子排列紧密度和有序度，纤维取向因子也进一步提升（图3C）。作者认为高分子半导体纤维出色的机械性能来源于两个方面：一是流动剪切和拉伸作用将高分子聚集体解聚和预排列，有利于其在纤维中良好取向和规整排列；二是共轭骨架的有序排列诱导了烷基侧链的有序排列和结晶，增加了链间相互作用，进一步增强了纤维强度。此外，该类半导体纤维还表现出很小的曲率半径和弯曲刚度，与人体组织接近，因此在可植入生物电子器件领域有良好的应用前景（图3D-E）。

图3. 高分子半导体纤维优异的机械性能和与织物的集成能力

作者研究了上述高分子半导体纤维的可穿戴和生物电子器件方面的应用（图4A）。作者发现，这些纤维展现出高的n型掺杂电导率和独特的应变电导率增强特性（图4B），并可被用于纤维热电（OTE）和纤维有机电化学晶体管（OECT）器件。与传统的薄膜器件相比，纤维器件均展现出性能的飞跃（图4C-D）。其中，纤维热电器件的功率因子（PF）和纤维OECT的跨导（g_m,A）均为目前报道的最高值之一。基于高性能的纤维OECT器件，作者还开发了乳酸传感器和心电信号传感器，表现出良好的灵敏度或信噪比。

图4. 共轭半导体纤维出色的电学性能与可穿戴及生物电子应用

本研究表明，通过新的纺丝策略，高分子半导体纤维会展现出超越传统薄膜材料的电学和力学性能，并在可穿戴和生物电子器件领域具有巨大的应用潜力。本工作中提出的FLEX纺丝方法以及流体力学调控策略将作为一种通用的方法和策略，为高分子半导体材料的生产和应用提供新思路。

本研究以“Continuous production of ultratough semiconducting polymer fibers with high electronic performance”为题发表在Science Advances杂志。北京大学副研究员张志是本文的第一作者，雷霆研究员是通讯作者。合作者包括北京大学材料科学与工程学院的邵元龙研究员和吕世贤研究员等。上述研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、北京市杰出青年基金、博士后科学基金，北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台和北京大学高性能计算平台等的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk0647

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（责任编辑：xu）

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