在纤维表面构造一层均匀薄涂层能够弥补其纤维本身在性能或功能上的不足，从而实现涂层与纤维两者的功能耦合，设计各种功能性纤维器件。其中，纤维表面涂层的均匀性和厚度可控性对于器件的性能起着关键作用，不均匀或过厚的涂层往往会导致器件功能的低效或缺失。流体涂覆是在纤维表面构建均匀涂层的通用方法，然而涂覆过程中纤维表面液膜由于Plateau–Rayleigh不稳定性使得很难在制备均匀可控的薄层涂层。

  据此，华中科技大学黄才利教授联合朱锦涛教授团队与浙江大学柏浩教授报道了一种非平衡液/液界面调控在纤维表面构造均匀超薄涂层的策略，通过官能化聚合物（PDMS-NH₂）与功能纳米粒子（CNC-OSO₃H）快速的液/液界面组装（静电相互作用），利用二者共组装形成纳米粒子—聚合物组装体的界面阻塞作用以抑制流体涂覆过程中纤维表面液膜的Plateau–Rayleigh不稳定性，制备厚度可控的均匀超薄聚合物涂层。深入探究了抑制纤维表面液膜Plateau–Rayleigh不稳定性的官能化聚合物与纳米粒子共组装动力学以及界面组装体的力学性能，建立了均匀液膜和聚合物涂层厚度与涂覆参数（纤维的拉伸速度、纤维半径、涂覆溶液的粘度和油/水界面张力）间的定量关系，实现了厚度可控（50 nm–20 μm）聚合物涂层的制备。耦合聚合物复合涂层和纤维两者的功能，利用该涂覆策略设计了具有电子封装、显示和超灵敏传感功能的纤维材料。该研究体系中纤维和涂覆溶液的组分均可任意组合，因而为构造各种功能性纤维器件提供了一种普适方法。

  该研究论文以“Fine and Uniform Ultrathin Film Coating on Fiber via Nonequilibrium Liquid/Liquid Interfacial Engineering”为题发表在Advanced Materials上，第一作者为华中科技大学化学与化工学院博士后程泉勇。

  该研究工作采用一种纤维的流体涂覆技术，首先拉伸纤维至含氯仿、聚合物配体（PDMS-NH₂）和涂层聚合物（PMMA、PS等）的油相，随后拉伸涂覆有油膜的纤维进入水相（CNC-OSO₃H的水分散液），该过程中PDMS-NH₂与CNC-OSO₃H在油/水两相界面处的静电相互作用，利用二者在油膜表面快速的共组装以及形成纳米粒子—聚合物组装体的堵塞（jamming）以抑制该油膜的Plateau–Rayleigh不稳定性，从而在纤维表面制备均匀液膜及聚合物涂层。

图1. 通过PDMS-NH₂/CNC-OSO₃H组装体的界面堵塞在纤维表面制备均匀液膜及聚合物涂层。

  由于纤维表面的油膜演变为不均匀液膜（纺锤结构液膜）仅需0.5 s，因此界面组装形成的PDMS-NH₂/CNC-OSO₃H组装体能否抑制油膜的Plateau–Rayleigh不稳定，主要取决于两者共组装动力学，即组装至两相界面并形成阻塞状态的时间尺度。二者的共组装动力学受多个参数影响：包括可调控静电相互作用的pH值（取决于PDMS-NH₂和CNC-OSO₃H的pKa值），决定扩散速率的聚合物和颗粒尺寸，以及影响扩散至界面平均距离的浓度。基于此，作者研究了水相pH、CNC浓度、纳米粒子种类、聚合物链结构和浓度对二者界面组装动力学的影响，并通过纤维在流体涂覆过程中观察各条件下液膜Plateau–Rayleigh不稳定的抑制情况。研究发现在0.5 s内，二者界面组装体密度≥75%可抑制纤维表面液膜的Plateau–Rayleigh不稳定，在纤维表面得到均匀液膜。

图2. 聚合物/纳米粒子在水/油界面共组装动力学对抑制纤维表面液膜不稳定行为的调控机制。

  基于对纤维表面制备均匀液膜动力学机制的研究，作者进一步探索了均匀液膜和聚合物涂层厚度的可控性。研究发现，液膜和聚合物涂层厚度受涂覆溶液的粘度（聚合物浓度）、纤维尺寸、纤维的拉伸速度以及油/水两相界面张力控制。通过以上不同条件下获得液膜厚度数据，建立了液膜及聚合物涂层厚度与以上相关涂覆参数的定量关系，在纤维表面成功制备了厚度（50 nm—20 μm）精确可控的聚合物涂层。

图3. 纤维表面液膜与聚合物涂层的厚度调控。

  基于该纤维涂覆方法的普适性，作者选择铜纤维为涂覆基材来探究均匀涂覆的必要性。研究发现，铜纤维暴露在空气中十天即会被氧化，发生Plateau–Rayleigh不稳定得到的PMMA涂层铜纤维其表面的氧化仍然存在，而由纳米粒子与聚合物配体的快速界面组装制备的均匀PMMA涂层则能够防止铜纤维表面被氧化。并且，不均匀PMMA涂层的纤维接通电路会发生漏电，在稀硫酸溶液中进行析氢反应时会被电解，而均匀的PMMA涂层能够有效的用作电子封装，以上这些结果均证明了纤维表面均匀涂覆的必要性。此外，作者选择性引入量子点至聚合物涂层中，通过不同组分涂层纤维的编织设计，得到了具有显示及防伪功能的纤维器件。

图4. 均匀超薄涂层纤维的电子封装与显示功能。

  进一步地，耦合纤维与涂层两者的功能特征，可构造具有各种功能的纤维织物材料。在铜纤维表面涂覆均匀的半导体弹性涂层（涂层聚合物为SEBS和P3HT复合），基于半导体弹性涂层的厚度调控以及该涂层电阻对外界压力变化的响应性质，构造了超灵敏纤维传感器。制备得到的纤维传感器能够用于检测呼吸深度的变化以及人体各种不同关节的动作变化幅度，有望用于人体生理行为与生命健康的监测。

图5. 均匀超薄半导体弹性体涂层铜纤维的传感应用。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202511852