你想過(guò)將顯示器穿在身上嗎？“多彩顯示織物彎折和水洗都不怕

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

你曾設想過(guò)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(xún)、收發(fā)訊息、進(jìn)行事件備忘……這是研究者近年來(lái)著(zhù)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(shí)確?？椢锏娜彳?、透氣導濕、適應復雜形變等特性，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(diǎn)研發(fā)計劃“納米科技”重點(diǎn)專(zhuān)項的資助下，復旦大學(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，相關(guān)成果以《大面積顯示織物及其功能集成系統》為題在線(xiàn)發(fā)表于《自然》雜志主刊。

突破傳統，“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(lái)，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(jiàn)，晚上則無(wú)法被有效應用，使用時(shí)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(shí)現了纖維聚合物發(fā)光電化學(xué)池，并通過(guò)將其編成織物實(shí)現了不同的發(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量非常有限，無(wú)法實(shí)現平面顯示器中基于發(fā)光像素點(diǎn)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建可程序化控制的發(fā)光點(diǎn)陣列，是困擾團隊甚至這個(gè)領(lǐng)域的一大難題。

彭慧勝團隊適時(shí)轉換思路。“在織物編織過(guò)程中，經(jīng)緯線(xiàn)的交織可以自然地形成類(lèi)似于顯示器像素陣列的點(diǎn)陣。”以此為靈感，團隊著(zhù)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合纖維和透明導電的高分子凝膠纖維，通過(guò)兩者在編織過(guò)程中的經(jīng)緯交織形成電致發(fā)光單元，并通過(guò)有效的電路控制實(shí)現新型柔性顯示織物。

“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(shí)驗案臺上還有多卷，顏色各異，乍一看與生活中的尋常紗線(xiàn)類(lèi)似。“而當我們給它們通上電，它們就顯示出了獨特一面——會(huì )發(fā)出明亮的光。”他拿起手邊的一件衛衣，展示其基本功能，衛衣上的復旦大學(xué)?；沼砂l(fā)藍光的纖維編織而成，接通電源后，藍色的?；請D案在室內清晰可辨。

是什么使織物擁有了顯示特性?其內在結構如何?“顯示織物內呈現獨特的搭接結構，由發(fā)光經(jīng)線(xiàn)和導電緯線(xiàn)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)光材料的導電紗線(xiàn)，另一根透明導電纖維通過(guò)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合發(fā)光活性層在搭接點(diǎn)區域被電場(chǎng)激發(fā)，就形成了一個(gè)個(gè)發(fā)光“像素點(diǎn)”。

在電場(chǎng)的激發(fā)下，電極和發(fā)光層憑借物理搭接即可實(shí)現有效發(fā)光，該方法可以將發(fā)光器件制備與織物編織過(guò)程相統一，利用工業(yè)化編織設備，實(shí)現了長(cháng)6米、寬0.25米、含約50萬(wàn)個(gè)發(fā)光點(diǎn)的發(fā)光織物，發(fā)光點(diǎn)之間最小的間距為0.8毫米，能初步滿(mǎn)足部分實(shí)際應用的分辨率需求。通過(guò)更換發(fā)光材料，還可實(shí)現多色發(fā)光單元，得到多彩的顯示織物。

彎折、水洗都不怕，顯示均勻且穩定

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

伴隨著(zhù)結構上的精細化要求，技術(shù)上的難題也顯現出來(lái)：如何在如微米級直徑的纖維上連續負載均勻的發(fā)光材料涂層，構建得到發(fā)光強度高度一致的像素點(diǎn)陣?

彭慧勝團隊提出了“限域涂覆”的制備路線(xiàn)，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(guò)一個(gè)定制的微孔，使不平整的漿料涂層變得平滑，同時(shí)有效控制纖維的直徑”。在此基礎上，通過(guò)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、反復彎折的發(fā)光功能層。

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

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