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  衣服是與人類文明的發展和生產力的進步息息相關的代表性產物。從原始部落的獸皮開始，到象征社會階級地位的袍出現，以及后來紡織業帶來的工業革命，都證明人類社會發展和服裝的緊密聯系。毫無疑問未來世界將是一個智能的世界，而未來的服裝將是和人體最貼身的可穿戴設備，這也是可穿戴設備是研究熱點之一的主要原因。可穿戴電子設備在近年來一直都是熱門研究課題，備受矚目且市場份額逐年增長，僅在2018年全球市場份額就已經超過了20億美元。纖維作為紡織的最基本的單元，一直決定未來的時尚發展趨勢，而功能性纖維也是未來的可穿戴設備大規模使用的決定性和關鍵性材料。

  近日，英國曼徹斯特大學劉旭慶、諾桑比亞大學Ben XU和劍橋大學、蘭州大學等研究人員合作在Small上發表了題為“Fibre Surface/Interfacial Engineering on Wearable Electronics”的綜述，系統地總結了“纖維表界面科學與分子工程”在可穿戴設備的應用。纖維作為可穿戴最基本的單元，能夠通過表界面修飾賦予纖維更多的性能。因此總結歸納以往的方法和探究新的改性方案對未來發展可穿戴電子設備是相當有助益的。

  纖維按照材料來源可以分為天然纖維和合成纖維兩種。天然纖維的最終產品通常是可生物降解的、無毒的、重量輕的、具有高比強度和抗疲勞性。然而天然纖維的局限性也很明顯，特別是它們的高吸濕性、不規則的機械性能、較差的耐化學性和耐火性，以及與聚合物基質的界面相互作用較差，嚴重限制了進一步的深入應用。合成纖維比天然纖維具有更廣泛的應用，但也存在穿著舒適度下降的問題，不得不以此犧牲來換取更高的機械強度、導電性、防水性等。這些缺點顯著降低了當前基于紡織品的可穿戴電子設備的性能。由于纖維是基于紡織品的可穿戴電子產品的關鍵組成部分，因此有必要通過纖維表界面修飾改性，賦予纖維更多的性能來獲得性能更好的材料，以改善這兩種纖維的原有缺點。

圖1  可穿戴電子設備的部分具體應用

  綜述中總結了多種不同的針對基于紡織品的可穿戴電子設備的纖維部分的表面修飾方法，高度概括了以往常用的物理修飾法和化學修飾法，包括物理修飾中的等離子激發、輻射、退火、表面沉積和微晶生長，化學修飾中的酸堿化處理、硅烷化處理、天然纖維的乙酰化、苯甲酰化處理、馬來酸偶聯劑、高錳酸化處理、過氧化處理等等。然而，無論是物理還是化學表面修飾，最終的纖維表面通常都會形成牢固的共價鍵或通過相似的分子相互作用相互結合。共價連接或類似的強相互作用力通常會破壞一些原始的共軛結構，這會極大地損害原始材料的性能，而這種情況在大眾所熟知的石墨烯處理中尤為嚴重。石墨烯本身的高導電性依賴于其獨特的二維結構和碳sp2雜化，因此共價鍵和額外官能團的引入將嚴重影響其結構的規律性并降低石墨烯的獨特性能。于是作者課題組引入了一種新的表面/界面工程方法，即通過π-π堆疊自組裝修飾纖維表面，該堆疊基于非共價力，類似氫鍵、靜電相互作用，屬于非破壞性的工作原理，在纖維材料的表面改性方面具有巨大的潛力， 也是作者課題組目前努力的方向。此類修飾有望在未來的織物復合材料中得到廣泛應用， 作者課題組也做了初步的探索性工作，如Composites Part B: Engineering 2021, 220, 108983。另一個典型的應用成果就是石墨烯-聚多巴胺處理的芳綸纖維和利用紅酒中單寧酸處理和化學沉積而制成的柔性導體Advanced Science 2020, 7 (23)。

  這篇綜述還展望了新的材料在功能性纖維領域的應用，如——有機金屬骨架（MOF） 纖維，有望在基于纖維的可穿戴電子產品領域發光發熱。MOF是由金屬離子或簇與有機配體配位形成1D/2D/3D結構的一系列化合物，由于其大的比表面積、豐富且可控的多孔結構和多樣的拓撲結構，在能量存儲、氣體吸附/分離、光催化和藥物輸送等領域應用頗有前景。特別是其擁有大量開放的活性位點，可以極大地支持電解質等不同分子的進入，極大地促進了其在超級電容器等儲能領域的應用，因此成功和纖維組合發展成了不少新的可穿戴電子設備，例如ZIF-67碳MOF纖維就取得了1756 mF/cm² 的超高面積電容和高達829 F/g的比電容，而這僅僅只需要 1.9 mg/cm² 的ZIF-67載量。該綜述促進了對纖維材料表面/界面工程技術的理解，有望指導未來基于纖維的可穿戴電子設備的合理設計。

圖2  典型的π-π堆疊自組裝：（a）輻照后在 聚對苯二甲酸乙二醇酯上生長的石墨烯；（b）氧化石墨烯-聚多巴胺處理的芳綸纖維制備過程（c）通過單寧酸改性和化學沉積制造柔性導體

  論文發表在Small上，第一作者是博士研究生肖瑞敏，通訊作者為英國曼徹斯特大學材料學院劉旭慶和諾桑比亞大學Ben XU教授。

  論文鏈接： https://doi.org/10.1002/smll.202102903

  英國曼徹斯特大學有著悠久的紡織學科歷史，紡織學科在第一、二次工業革命在此應運而生，這里也是化工學科的誕生地。劉旭慶課題組近年來致力于解決纖維材料科學的前端技術問題，開展了功能性纖維、功能性纖維復合材料和時尚行業可持續性發展等方面研究工作。劉旭慶課題組建立了纖維表面分子工程實驗室，研發了多種新型功能性面料和功能性織物，發表了如Composites Part B: Engineering 2021, 220, 108983; Advanced Science 2020, 7 (23), 2002009; Nano Energy, 2020, 104926; ACS Nano 2020, 14, 7, 8191–8201;  ACS Nano 2020, 14, 1, 559–567; Nano Lett. 2019, 19, 9, 6592–6599; Small 2019, 15, 190244; Chem. Mater. 2020, 32, 1, 234–244等系列研究工作。他課題組在紡織業污水領域處理領域也進行了深入研究，發表了Chemical Engineering Journal, 2021, 419, 129542; Journal of Hazardous Materials 2021, 403, 123587; ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12 (49), 54936-54945; Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1900564等研究成果。