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  微納結構表面可以賦予材料許多優異的特性，如親疏水，抗菌，產生結構色等等。因此，實現大規模制備具有可任意設計的表面結構的功能纖維對于拓寬纖維基器件應用范圍和促進智能織物的發展等有十分重要的意義。近年來，纖維的熱拉工藝由于其高穩定性和良好的材料與結構兼容性被廣泛應用于功能纖維的大規模制備，并在傳感，能量收集與轉換和人機接口等諸多領域取得了突破性進展。然而，以往報道的熱拉纖維的表面結構僅限于沿纖維長度方向上的溝槽。這是由材料在熱拉工藝中將不可避免的被拉長2-6個量級，并且由于表面張力的作用，材料表面不平整的區域在熱拉的過程中會趨于平滑導致的。因此，基于熱拉法在纖維表面制備可任意設計的微納結構仍然是一個巨大的挑戰。

  有鑒于此，南洋理工大學魏磊教授團隊聯合中國科學院工程熱物理研究所張挺研究員團隊開發了一種在熱拉纖維成型的過程中直接壓印的工藝(DITD工藝)。該工藝在熱拉纖維的同時制備表面微納結構，從而實現具有微納結構表面的功能纖維的大規模制備。該工藝制備的微納結構可以根據需求任意設計，結構分辨率可達幾十納米，并且能夠覆蓋成百上千米的纖維的整個表面。此外，研究人員就該DITD工藝的熱學過程、分辨率、重復性等過程進行了深入研究，并進一步展示了基于DITD工藝制備的纖維在超表面，能量收集和自供能傳感等能領域的應用，展示了該工藝在多功能纖維，柔性可穿戴器件和智能織物等領域的良好前景。

圖一: 具有微納結構表面的纖維的制備過程。(a) 通過DITD工藝制備表面具有二維點陣的纖維。(b) 纖維表面的SEM照片。(c) 超連續譜白光光源照射該纖維形成的干涉花樣。

  圖一給出了DITD工藝的示意圖。將預制棒(preform)在爐子內加熱拉伸之后，直接用兩個帶有預設表面結構的滾輪作為模板，對剛拉制的纖維進行連續壓印，使纖維表面形成連續的，與滾輪上表面結構相反的微納結構。從SEM照片可以看出該工藝制作的表面結構質量非常高，與所用模板的結構完全吻合。并且清晰的衍射花樣表明纖維表面的微納結構呈現良好的周期性。隨后，研究人員還展示了利用該工藝制作的多種表面結構和長達300米的具有表面結構的纖維。此外，該工藝可適用于多種材料，并且不影響材料本身的機械性能。

圖二: DITD工藝的熱學過程。(a) 纖維和滾輪上的溫度分布。(b) 不同拉制溫度下纖維表面的溫度分布。

  研究人員對該工藝種的熱學過程進行了仿真并展示了纖維表面的溫度分布，隨后進行了實驗驗證。仿真結果和實驗結果一致表明纖維在與滾輪接觸時溫度較高，足夠進行微納結構壓印。而且，纖維與滾輪分離后溫度明顯下降，從而抑制了由表面張力驅動的回流，保證了較高的結構分辨率。

圖三: (a-f) DITD工藝制備的微結構的分辨率，深度和重復性。(g-i) 具有納米結構超表面纖維的光學特性測試以及模擬。

  研究人員隨后證實了該DITD工藝的結構分辨率在數十納米的水平，同時該工藝可以很精確的控制結構深度并具有良好的重復性。更進一步地，研究人員研究了制備了具有周期性納米結構的纖維的光學特性，展現了該工藝在生物傳感，光學模式轉換等領域的應用前景。

圖四: (a-c) 具有雙面微結構的功能纖維的示意圖及形貌表征。(d-f) 基于兩種纖維(平滑表面和微結構表面)組裝的摩擦電納米發電機的輸出性能對比。(g) 基于微結構表面纖維的器件的魯棒性測試。(h-i) 多點觸摸傳感織物及其性能測試。

  此外，研究人員還制備了帶有表面微結構的功能纖維并組裝成了摩擦電納米發電機，與沒有表面微結構的器件相比，可以看出微結構明顯提升了這種纖維基器件的輸出性能。而且這種微結構具有很好的魯棒性，因此在長時間工作下器件性能沒有明顯變化。最后，研究人員將這種具有微結構的功能纖維編織到商用布料里從而組裝成了多點觸摸傳感織物，展示了該工藝在可穿戴器件等多種領域的巨大潛力。

  以上相關成果發表在Nature Communications (Nat. Commun. 11, 3842 (2020)) 上。論文的第一作者為南洋理工大學的博士生王哲，通訊作者為南洋理工大學魏磊教授和中國科學院工程熱物理研究所張挺研究員。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17674-8