西安工程大学:柔性丝素蛋白电致发光纤维,具有外场驱动的触摸响应和摩擦电传感
近年来,柔性电致发光器件在智能纺织品领域备受关注,尤其在照明显示、可穿戴电子和交互信息系统中有广泛应用。然而,目前的电致发光设备大多依赖石油基聚合物基质、复杂的高压电源和嵌入式传感器,限制了其在可持续、轻量化和视觉直观型可穿戴电子产品中的适用性。此外,功能层之间的机械不匹配易导致界面开裂甚至分层,进一步制约了其实际应用。
西安工程大学姚一军副教授、张鹏飞教授、张振方博士合作团队成功开发出一种具有同轴结构的柔性丝素蛋白基交流电致发光纤维(SFELF),该纤维采用共轭静电纺丝、涂覆和缠绕技术制备而成。通过精确调控丝素蛋白的β-折叠丰富二级结构,该纤维表现出卓越的机械韧性(5.29 MJ·m⁻³)和高亮度(最高达366 cd·m⁻²),优于目前基于聚二甲基硅氧烷和纤维素的同类产品。值得注意的是,该纤维在经历超过10,000次弯曲循环后仍保持稳定的发光性能,显示出优异的机械耐久性。更引人注目的是,即使移除外部电极,该纤维仍能通过手指或金属材料触摸实现发光,且其发光行为可由外部电场或热场调控,无需外接电源。此外,该纤维还集成了摩擦电和液体传感功能,为实时视觉监测和人机交互提供了新的可能性。
图1展示了SFELF的制备过程及其发光机制。通过共轭静电纺丝技术,将PVDF dielectric层均匀涂覆在镀银尼龙纱线上,随后涂覆ZnS:Cu/BaTiO₃/SF发光层溶液,并自然干燥,最后用不锈钢丝缠绕形成同轴结构纤维。丝素蛋白的二级结构(α-螺旋、无规卷曲、β-折叠、β-转角)有助于ZnS:Cu发光颗粒的稳定分散。发光机制方面,交流电场激发下,Cu₂₋ₓS促进电子从导带注入ZnS,空穴从价带注入,电子与空穴复合时产生发光。外电极与发光层接触点形成局部电场,进一步促进电子隧穿和复合发光。
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