編者按 納米科技是21世紀最重要的前沿科技領(lǐng)域之一，對世界各國經(jīng)濟社會發(fā)展起到引領(lǐng)作用，對信息、生物、醫(yī)藥、能源、環(huán)境、航空航天及國家安全等領(lǐng)域都有著重要影響。為全面提升我國納米科技的創(chuàng)新能力，國家重點研發(fā)計劃設(shè)立了“納米科技”重點專項，目前該項目已取得了一批重要成果。

本報今起推出系列報道，聚焦這些重要、優(yōu)秀成果，展現(xiàn)其攻關(guān)歷程。

從模糊到清晰，從單色到彩色，從笨重到輕薄……近幾十年來，顯示器作為電子設(shè)備的重要輸出端不斷更新迭代，由最初的陰極射線管顯示、液晶顯示、有機發(fā)光二極管顯示發(fā)展至現(xiàn)在的柔性薄膜顯示，取得了長足進步。

你曾設(shè)想過將顯示器穿在身上嗎？集器件功能、紡織方法、織物形態(tài)于一體，在我們穿的衣服上瀏覽咨詢、收發(fā)訊息、進行事件備忘……這是研究者近年來著力探尋的方向。

然而，如何將顯示功能有效集成到電子織物中，同時確保織物的柔軟、透氣導(dǎo)濕、適應(yīng)復(fù)雜形變等特性，是智能電子織物領(lǐng)域面臨的一大難題。

記者獲悉，日前，在國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項的資助下，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授彭慧勝領(lǐng)銜的研究團隊自主研發(fā)出全柔性織物顯示系統(tǒng)，相關(guān)成果以《大面積顯示織物及其功能集成系統(tǒng)》為題在線發(fā)表于《自然》雜志主刊。

突破傳統(tǒng)，“織物顯示”漫漫求索路

織物顯示求索之旅絕不是一條坦途。近十多年來，彭慧勝帶領(lǐng)的研究團隊始終致力于智能高分子纖維與織物研發(fā)。

2009年，團隊提出聚丁二炔與取向碳納米管復(fù)合以制備新型電致變色纖維的研究思路，然而，電致變色僅在白天可見，晚上則無法被有效應(yīng)用，使用時域大打折扣。

2015年，團隊在涂覆方法方面取得突破，成功解決了共軛高分子活性層在高曲率纖維電極表面均勻成膜的難題，提出并實現(xiàn)了纖維聚合物發(fā)光電化學(xué)池，并通過將其編成織物實現(xiàn)了不同的發(fā)光圖案。但此種方法也有局限，經(jīng)由發(fā)光纖維編織所顯示的圖案數(shù)量非常有限，無法實現(xiàn)平面顯示器中基于發(fā)光像素點的可控顯示。

如何在柔軟且直徑僅為幾十至幾百微米的纖維上構(gòu)建可程序化控制的發(fā)光點陣列，是困擾團隊甚至這個領(lǐng)域的一大難題。

彭慧勝團隊適時轉(zhuǎn)換思路。“在織物編織過程中，經(jīng)緯線的交織可以自然地形成類似于顯示器像素陣列的點陣。”以此為靈感，團隊著眼于研制兩種功能纖維——負載有發(fā)光活性材料的高分子復(fù)合纖維和透明導(dǎo)電的高分子凝膠纖維，通過兩者在編織過程中的經(jīng)緯交織形成電致發(fā)光單元，并通過有效的電路控制實現(xiàn)新型柔性顯示織物。

“這就是我們用于編織的發(fā)光纖維材料。”彭慧勝拿起一卷纏繞于紡錘上的纖維介紹道。這些直徑不足半毫米的纖維材料，實驗案臺上還有多卷，顏色各異，乍一看與生活中的尋常紗線類似。“而當我們給它們通上電，它們就顯示出了獨特一面——會發(fā)出明亮的光。”他拿起手邊的一件衛(wèi)衣，展示其基本功能，衛(wèi)衣上的復(fù)旦大學(xué)校徽由發(fā)藍光的纖維編織而成，接通電源后，藍色的校徽圖案在室內(nèi)清晰可辨。

是什么使織物擁有了顯示特性？其內(nèi)在結(jié)構(gòu)如何？“顯示織物內(nèi)呈現(xiàn)獨特的搭接結(jié)構(gòu)，由發(fā)光經(jīng)線和導(dǎo)電緯線交錯而成。”彭慧勝解釋道，從橫截面方向看，其中一根為涂覆有發(fā)光材料的導(dǎo)電紗線，另一根透明導(dǎo)電纖維通過編織與其經(jīng)緯搭接。施加交流電壓后，位于發(fā)光纖維上的高分子復(fù)合發(fā)光活性層在搭接點區(qū)域被電場激發(fā)，就形成了一個個發(fā)光“像素點”。

在電場的激發(fā)下，電極和發(fā)光層憑借物理搭接即可實現(xiàn)有效發(fā)光，該方法可以將發(fā)光器件制備與織物編織過程相統(tǒng)一，利用工業(yè)化編織設(shè)備，實現(xiàn)了長6米、寬0.25米、含約50萬個發(fā)光點的發(fā)光織物，發(fā)光點之間最小的間距為0.8毫米，能初步滿足部分實際應(yīng)用的分辨率需求。通過更換發(fā)光材料，還可實現(xiàn)多色發(fā)光單元，得到多彩的顯示織物。

彎折、水洗都不怕，顯示均勻且穩(wěn)定

比起傳統(tǒng)的平板發(fā)光器件，發(fā)光纖維直徑可在0.2毫米至0.5毫米之間精確調(diào)控，奠定了其超細、超柔的特性。以此為材料一針一線梭織而成的衣物，可緊貼人體不規(guī)則輪廓，像普通織物一樣輕薄透氣，確保良好的穿著舒適度。

伴隨著結(jié)構(gòu)上的精細化要求，技術(shù)上的難題也顯現(xiàn)出來：如何在如微米級直徑的纖維上連續(xù)負載均勻的發(fā)光材料涂層，構(gòu)建得到發(fā)光強度高度一致的像素點陣？

彭慧勝團隊提出了“限域涂覆”的制備路線，采用柔韌的高分子材料作為發(fā)光漿料基體，將其均一可控地負載在纖維基底上，即“讓浸漬有發(fā)光漿料的纖維通過一個定制的微孔，使不平整的漿料涂層變得平滑，同時有效控制纖維的直徑”。在此基礎(chǔ)上，通過多次涂覆，提升纖維圓周方向的發(fā)光層厚度均勻性，涂覆固化后得到了能抵御外界摩擦、反復(fù)彎折的發(fā)光功能層。

現(xiàn)實的應(yīng)用要求也接踵而至。團隊研究發(fā)現(xiàn)，具有高曲率表面的纖維相互接觸時，在接觸區(qū)域會形成不均勻的電場分布，這樣的電場不利于器件在變形過程中穩(wěn)定工作。而在現(xiàn)實生活中，穿在身上的衣服難免會有磕磕碰碰，也需日常清洗。如何能使顯示織物適應(yīng)外界環(huán)境的改變，乃至抵御住反復(fù)摩擦、彎折、拉伸等外在作用力，保證發(fā)光的穩(wěn)定性？

團隊在導(dǎo)電纖維緯線的力學(xué)性能方面下足了功夫，通過熔融擠出方法制備了一種高彈性的透明高分子導(dǎo)電纖維。在編織過程中，該纖維由于線張力的作用，與發(fā)光纖維接觸的區(qū)域發(fā)生彈性形變，并被織物交織的互鎖結(jié)構(gòu)所固定。“通過對高分子導(dǎo)電纖維的模量調(diào)控，使其在與發(fā)光經(jīng)線交織時發(fā)生自適應(yīng)彈性形變，形成穩(wěn)定接觸界面，并使得在纖維曲面上形成了類似平面的電場分布，從而確保了織物中‘像素點’的均勻穩(wěn)定發(fā)光。”彭慧勝說。

實驗結(jié)果表明，在兩根纖維發(fā)生相對滑移、旋轉(zhuǎn)、彎曲的情況下，交織發(fā)光點亮度變動范圍仍控制在5%以內(nèi)，顯示織物在對折、拉伸、按壓循環(huán)變形條件下亦能保持亮度穩(wěn)定，可耐受上百次的洗衣機洗滌。

多功能集成，表現(xiàn)出良好應(yīng)用前景

除顯示織物外，彭慧勝團隊還基于編織方法實現(xiàn)了具有光伏織物、儲能織物、觸摸傳感織物與顯示織物的功能集成系統(tǒng)，使融合能量轉(zhuǎn)換與存儲、傳感與顯示等多功能于一身的織物系統(tǒng)成為可能。該系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)和人機交互領(lǐng)域，如實時定位、智能通訊、醫(yī)療輔助等方面表現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。

極地科考、地質(zhì)勘探等野外工作場景中，只需在衣物上輕點幾下，即可實時顯示位置信息，地圖導(dǎo)航由“衣”指引；把顯示器穿在身上，語言障礙人群可以此作為高效便捷交流和表達的工具……這些原本存于想象中的場景，或許在不遠的將來就能走進人們的生活。

從研發(fā)思路的推陳出新，到連續(xù)制備關(guān)鍵技術(shù)的接連突破，設(shè)備的自主設(shè)計研發(fā)，再到工程化路線的不斷優(yōu)化……彭慧勝團隊已把產(chǎn)品從實驗室里“帶了出來”，實現(xiàn)了發(fā)光纖維和織物的連續(xù)化穩(wěn)定制備，致力于推動全柔性顯示織物的規(guī)模化應(yīng)用研究。“我們也期待著產(chǎn)業(yè)界的合作者們加入，共同解決在實際應(yīng)用中的具體問題。”彭慧勝說。