近日，西安工程大學(xué)與西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研究團隊受秋葵橫結(jié)構(gòu)啟發(fā)，成功研制出具有綠橙雙色可切換力致發(fā)光纖維（GOBSMF）。該纖維無需外接電源，受壓時發(fā)射橙色光、受拉時發(fā)出綠色光，可一體化集成到織物中，為智能可穿戴設(shè)備、運動追蹤、水下通信等領(lǐng)域提供了全新解決方案。
痛點突破：現(xiàn)有可穿戴發(fā)光器件的“兩難困境”
隨著可穿戴技術(shù)的快速發(fā)展，集成于智能紡織品的發(fā)光器件需同時滿足柔性、高靈敏度、舒適性和快速響應(yīng)等要求。傳統(tǒng)薄膜類發(fā)光器件透氣差、穿戴不適，而現(xiàn)有力致發(fā)光纖維多局限于單一波長發(fā)光，無法直觀區(qū)分不同應(yīng)力類型，嚴重限制了其實際應(yīng)用。
“如何讓發(fā)光纖維既具備剛性以響應(yīng)壓力發(fā)光，又保持柔性以適應(yīng)拉伸變形，同時實現(xiàn)不同應(yīng)力下的雙色區(qū)分，是行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題。”研究團隊受自然界中的秋葵給結(jié)構(gòu)啟發(fā)——秋葵果實的胎盤、籽、胞腔和果皮構(gòu)成的分層結(jié)構(gòu)，兼具支撐性與柔韌性，這為纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了天然模板。
仿生設(shè)計：復(fù)刻秋葵結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“一纖雙色”
研究團隊精準復(fù)刻秋葵的橫截面層級結(jié)構(gòu)，打造了三層同軸的GOBSMF纖維：
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核心層：以PDMS紗線模擬秋葵的中心胎盤，為纖維提供基礎(chǔ)機械支撐；
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中間層：將橙色力致發(fā)光微珠（OMLM）不連續(xù)地附著在PDMS紗線表面，模仿秋葵籽的分布，形成受壓發(fā)光層，受壓時釋放橙色光；
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外層：采用ZnS:Cu/PDMS/Al?O?復(fù)合材料模擬秋葵果皮，作為受拉發(fā)光層，拉伸時發(fā)出綠色光。
值得關(guān)注的是，中間層微珠間的間隙被外層材料填充，形成類似秋葵胞腔的結(jié)構(gòu)，既固定了微珠，又保障了纖維的整體柔韌性。這種仿生設(shè)計讓纖維首次實現(xiàn)“拉伸發(fā)綠光、受壓發(fā)橙光”的雙色切換，且在在小于12.7千帕的應(yīng)力和10%的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)即能產(chǎn)生明顯的發(fā)光響應(yīng)，響應(yīng)時間低于500毫秒。經(jīng)過上千次疲勞測試后仍保持穩(wěn)定性能，并具備優(yōu)異的耐水性和環(huán)境適應(yīng)性。
圖1 綠橙雙色可切換力致發(fā)光纖維（GOBSMF）結(jié)構(gòu)與性能
性能升級：發(fā)光強度倍增，耐用性顯著增強
為解決傳統(tǒng)力致發(fā)光材料發(fā)光弱、應(yīng)力傳遞效率低的問題，研究團隊針對性優(yōu)化了兩層發(fā)光材料：
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在外層受拉發(fā)光材料中加入Al?O?納米顆粒，不僅提升了應(yīng)力傳遞效率，還通過顆粒間碰撞增強發(fā)光，使發(fā)光強度較傳統(tǒng)ZnS/PDMS纖維提升5倍；
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在中間層受壓發(fā)光材料中，通過靜電極化將PVDF-HFP從α相轉(zhuǎn)為高壓電性能的β相，結(jié)合ZnS:Mn的壓電光子效應(yīng)，使發(fā)光強度提升22倍，壓電系數(shù)從0.1 pC/N躍升至8.2 pC/N。
圖2 GOBSMF發(fā)光強度增強機理
圖3 GOBSMF雙色發(fā)光機理及影響因素
同時，該纖維展現(xiàn)出優(yōu)異的實用性能：拉伸應(yīng)變超過80%，強度滿足紡織織造需求；經(jīng)過1600次壓縮循環(huán)、1000次拉伸循環(huán)后仍保持穩(wěn)定發(fā)光；表面接觸角達117°，具備疏水特性，浸泡水中7天發(fā)光性能無衰減；在不同溫度、濕度環(huán)境下均能穩(wěn)定工作，耐磨次數(shù)可達5萬次。
圖4 GOBSMF的耐久性
場景落地：從運動追蹤到水下通信，應(yīng)用廣泛
憑借良好的柔性、透氣性和集成性，GOBSMF纖維可與商用彈力紗線編織成織物，無縫融入服裝、手套等可穿戴產(chǎn)品，解鎖多重應(yīng)用場景：
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運動追蹤：將發(fā)光織物縫制在關(guān)節(jié)處，可實時可視化人體運動軌跡，夜間登山時能幫助團隊清點人員、避免踩踏事故；
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水下通信：潛水服搭載該織物后，潛水員可通過肢體運動產(chǎn)生的綠光實現(xiàn)同伴定位，緊急情況下按壓發(fā)出的橙光可作為求救信號；
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戰(zhàn)術(shù)裝備：戰(zhàn)術(shù)手套集成后，士兵可通過特定手勢產(chǎn)生的發(fā)光信號傳遞指令，無需發(fā)聲即可完成協(xié)同，降低被紅外探測的風(fēng)險；
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智能交互：發(fā)光織物可作為信息面板，通過劃痕、按壓等動作形成發(fā)光軌跡，實現(xiàn)可視化信息傳遞。
圖5 GOBSMF的應(yīng)用展示
結(jié)語：仿生高分子材料賦能智能穿戴新未來
該研究通過仿生設(shè)計突破了傳統(tǒng)力致發(fā)光纖維的性能瓶頸，實現(xiàn)了“無電驅(qū)動、雙色響應(yīng)、柔性集成”的多重優(yōu)勢，為高分子智能材料的研發(fā)提供了新思路。研究團隊表示，未來將進一步優(yōu)化纖維的發(fā)光效率和規(guī)；苽涔に，推動其在智能服裝、人機交互、安全預(yù)警、醫(yī)療康復(fù)、體育科學(xué)、等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
該工作以“Green-Orange Bi-color Switchable Mechanoluminescent Fiber of Okra-Like Structure for Visual Signaling”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。第一作者為西安工程大學(xué)碩士研究生劉金霖，共同第一作者為西安工程大學(xué)武崢教授和西北工業(yè)大學(xué)于濤教授，通訊作者為西安工程大學(xué)樊威教授，共同通訊作者為西安交通大學(xué)王淑娟教授。該工作得到國家自然科學(xué)基金、陜西省杰出青年科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金與陜西省高校青年創(chuàng)新團隊基金的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202515254
