一、光電【科學背景】

纖維技術最近的編織突破使得功能材料可以與緊密接口組裝成具有特定幾何形狀的單纖維，在許多領域提供多樣化的衣物功能，例如作為傳感器、材料能量收集和存儲，光電以及顯示和醫療設備。編織由于半導體是衣物決定器件性能的關鍵組件，因此在纖維內部選擇、材料控制和工程半導體是光電實現高性能功能纖維的關鍵途徑。然而，編織由于高成品纖維熱拉伸過程中的衣物應力發展和毛細管不穩定性，半導體芯中的材料裂紋和變形都顯著影響了這些纖維的性能。基于以上難題，光電新加坡南洋理工大學魏磊教授、編織高華健教授聯合中國科學院深圳先進院陳明副研究員、衣物中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張其沖研究員在Nature上報道發明了一種能夠被編織進日常服飾、同時具備卓越性能的纖維，解決了無機半導體纖維熱拉制過程中的多材料體系應力失配和流體不穩定性問題，實現了每分鐘數米至數十米高速拉制長達數百米的Si/Ge半導體纖維制備策略。

二、【科學貢獻】

研究人員評估了纖維制造過程，以確定斷裂和缺陷如何產生。利用這些信息，他們修改了加工技術以及半導體和纖維材料的結合，以生產出具有光電特性的高性能柔性纖維，并將一根根細如發絲的纖維材料“編織”而成成一塊長13.5米、寬0.6米、厚1毫米的光電傳感布。

圖1 ?半導體光電光纖的設計與制造? 2024 Springer Nature

為展示這種材料的能力，研究人員制作了一系列實驗性裝置。例如將光電纖維編成一頂帽子，能感知交通燈的光信號，從而為視力障礙人士提供協助；帽子檢測到的光信號被傳輸到一個手機，在交通燈由紅轉綠時提醒用戶。研究人員還將光電纖維編入手環，制成可穿戴心臟監測器，性能與市售設備相當，但比剛性傳感器更貼合手腕。最重要的是，制備的光電纖維探測器在極端環境下表現出優異穩定性，可在水下三千米甚至更深的壓力環境下穩定工作。

圖2 ?光電纖維、織物及代表性應用? 2024 Springer Nature

三、【創新點】

本研究將單一材料纖維的熱拉制法擴展為多材料的制備工藝，并從固體力學和流體力學的角度出發，解決了無機半導體纖維熱拉制過程中的多材料體系應力失配和流體不穩定性問題，實現了每分鐘數米至數十米高速拉制長達數百米的Si/Ge半導體纖維制備策略。

四、【科學啟迪】

綜上，該研究開發了一種制作內置電子元件纖維的新方法，將半導體線集成到一個單一的柔性纖維中，并與金屬電極形成良好的界面，從而實現光電子纖維和大規模光電子織物，這種纖維織物可用于可穿戴電子設備，其潛在應用包括能感知交通燈變化的帽子（可幫助視障人士），以及用于心臟監測的柔性設備。該研究提供了對極限力學和流體動力學的基本見解，并提供了傳統平臺無法實現的幾何形狀，從根本上解決了對柔性和可穿戴光電子設備日益增長的需求。目前，制造這些纖維的設備包括一個纖維牽引裝置，該裝置已經在電信業中用于生產商用光纖。一旦這些纖維制成，就可以利用紡織業已廣泛使用的工具，將其編織成織物。這項工作在將微型計算機嵌入日常服裝的方向上實現了一個飛躍。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06946-0

本文由賽恩斯供稿。