想象一下，一顶可清洗的帽子可以帮助视障人士感知交通信号灯的变化，或者一件衣服可以在穿着者浏览博物馆时充当导游。
这些不可思议的场景，看似离我们很遥远，或许已经近在眼前。
来自南洋理工大学、中国科学院大学、中国科学院的研究团队便成功开发出了这样一种“黑科技”电子纤维。它可以被编织进衣物内，在交通感知、心率监测等方面展现出了卓越的性能。
值得一提的是，这种电子纤维不仅可以无缺陷延展数百米长、具有出色的耐久性，而且还防水，适用于水下应用。
相关研究论文以“High-quality semiconductor fibres via mechanical design”为题，刚刚发表在权威科学期刊 Nature 上。
在一篇同期发表的新闻与观点文章中，弗吉尼亚理工大学副教授贾晓婷和她的学生 Alex Parrott 表示，这项技术的制造设备在工业应用上的成熟度，以及在纺织业的广泛应用，使其具备了商业化的潜力。他们认为，这项工作“在将微型计算机嵌入日常服装的方向上实现了一个飞跃。”
研究背景
以硅锗为代表的半导体是现代电子产业的“大脑”—芯片不可或缺的关键材料。这些无机半导体在化学及热稳定性，电学性能，规模化生产等方面具有不可比拟的优势。然而在电子产业拥抱柔性化的新趋势下，这些半导体的本征脆性给科学家和工程师们带来了不小的挑战。如何用这些半导体发挥柔性？近些年国际学术界相继提出了一些从降低维度方面的解决方案。例如采用三维尺寸极小，可以认为是零维形态的硅“点”，以阵列形式分布在柔性基底上，形成一个软硬交联的网络来实现对脆硬材料的柔性化；又或是减小晶圆的厚度，并钝化机械损伤，从而得到一张二维形态可以弯曲的硅薄膜。然而，对一维形态的半导体纤维研究相对较少，主要原因是制备异常困难。在这方面，尽管有例如微下拉法等从熔体出发的晶体生长法的示例，但半导体纤维的制备仍然面临一些重大难题。其关键挑战在于：如何大规模高产量地连续制造具有相当长度的、无裂纹的半导体纤维。
本文亮点
近日，新加坡南洋理工大学魏磊副教授团队/高华健院士团队、中国科学院深圳先进技术研究院杨春雷/陈明研究团队和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲研究员团队合作，以熔融芯法纤维形成三个阶段（粘性流动、芯结晶和随后的冷却）的应力分布和毛细管不稳定性的理论研究为指导，通过核心半导体材料和壳体材料的机械匹配原则，突破了脆性无机半导体材料的纤维柔性化技术，实现了超长、无断裂和无扰动无机半导体纤维的连续化制备。然后，采用新开发的收敛热拉法将半导体纤维集成到具有不同设计的导体、半导体和绝缘体复合结构中，由此获得的光电纤维在 2 V 偏压下表现出高达 0.55 A W-1 的响应度和短至 900 ns 的响应时间，与商用平面型光电探测器相当，解决了高性能的无机半导体材料与热拉法制备纤维的兼容性问题。该成果以High-quality semiconductor fibres via mechanical design为题发表于Nature上，南洋理工大学博士后汪志勋、李栋和吉林大学教授王哲为共同第一作者,南洋理工大学的魏磊副教授/高华健院士、中国科学院深圳先进技术研究院陈明副研究员、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲研究员为共同通讯作者。
图文解析一维纤维作为一种新兴的无机半导体材料应用形态，具有细和柔的独特优势，它为柔性电子器件与人们日常衣着的无缝融合、柔性电子设备与日常生活的无感链接提供了全新的可能性。然而，快速和超长的高质量半导体纤维制备技术仍然是科学界的巨大挑战。研究团队从传统的光纤制备及热拉制工艺中获得灵感，将单一材料纤维的热拉制法扩展为多材料的制备工艺，并从固体力学和流体力学的角度出发，解决了无机半导体纤维热拉制过程中的多材料体系应力失配和流体不稳定性问题，成功实现了每分钟数米至数十米高速拉制长达数百米的硅/锗半导体纤维制备策略。
图1. 高质量无机半导体纤维纤芯材料中的应力主要是由纤芯和包层之间的体积变化差异引起的，这种差异源自纤芯凝固和不匹配的热膨胀。纤芯凝固前的扰动是由毛细管不稳定性引起的。这些机制得到建模和有限元模拟的进一步支持，通过材料选择和工艺优化进行合理的力学设计可以缓解和抑制此类应力和不稳定性。熔芯法的力学设计为高质量半导体纤维的发展提供了新的研究方向，并有望扩展到更广泛的材料范围。
图2. 热拉制法中包层/半导体纤芯结构的应力适配和流体不稳定性分析研究团队进一步采用收敛热拉制法，在头发丝粗细的纤维内建立绝缘体、导体和半导体之间紧密稳固的材料界面，在拉制过程中完成了器件的装配及封装，组装的光电纤维探测器在极端环境下仍表现出优异稳定性，可以在水下三千米甚至更深的压力环境下稳定工作。这种柔韧稳定的纤维状光电探测器既可以单独使用，也可以编织进布料中，从而将被动式的衣物打造成功能性“智能”穿着，其在未来的智能穿戴、元宇宙、人工智能、极端环境传感器、脑机接口等领域都将具有广阔应用前景。
图3. 高性能半导体纤维光电探测器及应用
总结与展望
本项工作首次明确了‘纤芯-包层’力学相互作用，通过核心半导体材料和壳体材料的机械匹配原则，突破脆性无机半导体材料的纤维柔性化技术，实现超长、无断裂和无扰动无机半导体纤维的连续化制备。这项工作为从传统材料和器件形态中无法企及的极端力学和流体动力学提供了新的见解，有望促进解决对高性能柔性半导体材料和可穿戴电子器件日益增长的需求。
可水洗的高性能柔性纤维
最重要的是纤维的耐磨性：它必须足够柔韧，易于扭曲，以便编织；此外，它还能够水洗，可重复使用；并且透气，让人们有着舒适的穿着体验。
许多研究人员通过创建由非晶半导体材料制成的智能光纤设备来同时这些功能。问题是，现有的制造方法可能会产生带有断裂、有缺陷的半导体芯的螺纹，影响纤维的性能。
这次他们摒弃传统手法的缺陷，采用了创新的方式将微小的半导体器件引入纤维，创造了百米级别的无瑕纤维。
这项革新技术借鉴了光纤制备的工业标准，充分利用了纺织业广泛采用的工具。通过一系列巧妙的步骤，研究人员不仅创造出具备光电特性的柔软纤维，更将其无缝地嵌入到日常服装中。
你可以想象一下，帽子上嵌入了这样的纤维，能够感知交通灯的信号并通过手机提醒佩戴者，对盲人十分友好。
或者，一件毛衣不仅保暖，还能充当光通信装置，通过 Li-Fi 技术传递信息。
此外，研究团队甚至将这些柔软电子纤维编织成了手环。与现有设备相比，它更贴合手腕，更具耐久性，可在水下深达 3000 米的压力下正常工作。
尽管软性电子纤维的出现为可穿戴设备领域带来了前所未有的创新，然而，这项研究也有一些局限性和挑战。
例如，虽然该研究在纤维制备过程中克服了半导体器件容易断裂的问题，但纤维的外包覆材料却牺牲了一定的实用性，特别是在需要保持柔软性和透气性的服装应用中。这对外包材料的选择提出了更高的要求。
另外，在生产方面，当前的技术路线需要对纤维进行后期处理，以将其从外层材料中脱离出来，这一步骤可能会增加生产成本，并对环保性产生一定影响。
此外，为了保证纤维的高质量，研究团队采用了后期添加单晶半导体的处理方法，这在一定程度上限制了材料的可用性和生产效率。
可穿戴设备，拥有无限可能
柔性电子纤维的诞生，不仅仅是一项科技突破，更是时尚与科技融合的崭新尝试。
贾晓婷和 Alex Parrott 指出，用于制造这些纤维的设备已经包括了一种纤维牵引装置，该装置在电信行业中已经广泛用于生产商用光纤。一旦这些纤维制备完成，就能够利用纺织业中已经广泛采用的工具，将其巧妙地编织成各种织物。
他们表示，未来一个令人兴奋的方向是为纤维配备更复杂的器件，如晶体管，并提高这些功能元件的密度。目前的方法有一个局限性，它需要一个后处理步骤，才能将质量极高的（单晶）半导体融入纤维中。
除了利用新型纤维将可穿戴设备融入日常生活，可穿戴设备还拥有其他可能。
去年 12 月，南开大学团队研发了一种可以全天太阳能供电的双向温度调节服装系统，该系统通过快速热调节可以将热舒适区从 22°C 至 28°C 扩展到 12.5°C 至 37.6°C，且具有快速的体温调节速率，从而确保在各种复杂和不稳定环境中人体的安全和舒适。
据介绍，该系统可以在极地地区和个体太空行走等恶劣环境中增加人类的生存能力，为扩展人类对恶劣环境的适应性提供了多种可能性。
2022 年 6 月，来自新加坡南洋理工大学和清华大学的研究团队，联合开发出了一种可伸缩的防水“织物”，这种织物可以将人类身体运动产生的能量直接转化为电能。经洗涤、折叠和褶皱后，织物的性能也不会出现下降，甚至可以在长达 5 个月的时间内，保持稳定的电力输出。
看到这里，不妨想象一下，在不久的将来，我们穿戴的不再只是普通衣物，而是能与周围环境无缝连接、互动、自供电的智能织物，到那时，我们的日常生活将是怎样的？
来 源 | 网络综合
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