东华大学熊佳庆/周欣然 Adv. Funct. Mater.：自愈-重构型光电双模传感纤维

2025-02-10 来源：高分子科技

在可穿戴电子和智能人机交互中，基于电/光机制的双模传感纤维（electro-optical fiber）展示出广阔潜力。当前光电双模传感纤维普遍面临制备工艺复杂和环境适应性不足的挑战，限制其进一步发展。自愈合性和可回收性有助于保障纤维的力学、电学和光学稳定性，可构建灵活多变的愈合-重构结构，提升其环境适应性，并降低材料和能源浪费。因此，以简便可扩展的工艺开发兼具自愈合性和可回收性的光电传感纤维有重要意义。

近日，东华大学熊佳庆/周欣然团队合成了动态自愈型聚氨酯（DHPU），以导电离子液体（IL）和发光硫化锌基颗粒分别作为内、外功能填料，通过一步法同轴湿法纺丝技术，制备了一种可拉伸、自愈合、可回收的光电双模传感纤维（HEOF）（图1）。该纤维集成了双信号电学传感（压阻/摩擦电）和双色发光功能，受损后可在少量乙醇辅助下室温自愈，实现力学、电学和光学性能的高效修复（修复效率分别达94%、92%、99%），也可溶于乙醇实现快速回收（30 min）。作者展示了HEOF在昆虫光电监测、光电织物和智能警戒线等场景的多重应用潜力，揭示了自愈-重构特征纤维在适应形状/尺寸多样化基材方面的独特优势，并提出一种纤维自愈-重构光电混合加密策略，结合混合加密算法实现了灵活安全的信息传输。

相关研究成果以“Recyclable and Healable Electro-Optical Fiber for Sensing and Information Transmission”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。论文第一作者为东华大学硕士生李伟康，通讯作者为东华大学熊佳庆研究员和周欣然副研究员。该研究得到国家自然科学基金等项目资助。

图1. HEOF的设计及多场景应用

图2. DHPU的合成与性能

DHPU弹性体的模块化设计是平衡热塑性、弹性和自愈性的基础，确保自愈合HEOF的构建。异氰酸酯模块中的异佛尔酮环破坏了聚氨酯的结晶，使得DHPU具备无定形结构，显示出高光学透明度（91%）（图2）。脲基形成的动态氢键和可逆肟-氨基甲酸酯键，赋予了DHPU良好的自愈性；同时，脲氢键还使DHPU兼顾了一定的回弹性和热稳定性。

图3. HEOF的力-电-光学性能及愈合性

通过一步法同轴湿纺成形的HEOF具有稳定的纤维结构和优异的力学、电学和光学稳定性（图3）。得益于DHPU与IL和发光颗粒间形成的氢键，HEOF中的功能填料分散均匀，同时有效防止了离子液体的泄漏。HEOF的光学性能（发光亮度）不受拉伸形变影响，确保光学传感和电学传感相对独立。此外，HEOF纤维不仅保持了DHPU的自愈性和可回收性，还具备耐水性和长效稳定性，很好地平衡了光电纤维的功能性、易生产性、环境适应性和耐久性。

图4. HEOF的多场景应用展示

电学-光学双重功能配合纤维的灵活变形性和自愈-重构能力，使得HEOF具备多场景应用的可能（图4）。作者展示了HEOF对关节弯曲角度的实时监测，以及与编织手环或织物的无缝集成，用以提升穿戴产品的美观性和夜间安全性。作者也展示了HEOF在生物互动性监测上的应用，通过设计红绿双色的光电智能蜘蛛网，吸引特定趋光性的昆虫（如瓢虫和蚜虫），结合摩擦电信号检测昆虫接触，为非侵入式种群密度监测提供了新的可能。此外，利用藤蔓状HEOF可适应性包裹贵重或易碎物品，通过摩擦电传感与压阻式传感机制可分别感知触碰或破损并触发警报，同时在夜间为巡视人员提供直观的视觉反馈。这些应用凸显了HEOF的自愈-重构优越性，可显著提升其在复杂环境中的适用性。

图5. HEOF实现光电混合加密信息传输

作者进一步展示了HEOF通过光-电双模态信号实现高安全信息加密。HEOF发出的红光与绿光分别编码为“1”和“0”，电学输出信号则通过单/双峰区分数据位。作者结合椭圆曲线加密（ECC）与高级加密标准（AES）算法，通过光信号进行密钥的离线存储，并利用动态自愈功能实现密钥的灵活重置（图5）。在演示案例中，通信双方通过电信号传输密文，同时利用光学存储密钥以抵御窃听，实现了高效安全的混合加密通信。这一策略为智能纤维信息传输提供了兼具保密性与便捷性的新方案。

综上所述，该研究通过合成一种动态愈合聚氨酯（DHPU），并将其与离子液体和发光材料耦合，证实了一种可愈合光电双模传感纤维的一步连续制造，实现了纤维拉伸性、导电性、自愈合性和可回收性。利用DHPU的超分子相互作用及其与功能填料的出色兼容性，实现了HEOF的可靠机械、电气和光学特性，且在愈合后保持稳定。该纤维在乙醇中快速溶解回收，为智能纤维的可持续发展提供了新方案。基于HEOF的双色发光和双模电学传感能力，作者展示了纤维在昆虫监测、发光穿戴设备、智能警戒线和光电混合加密信息传输等领域的应用潜力。这种自愈-重构纤维材料的合成和成型工艺，以及基于这类材料的自愈-可编程器件有望为智能纤维材料的开发和应用提供新思路。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202423596

课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing

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（责任编辑：xu）

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