东华王刚/王宏志、林雪平大学Simone Fabiano《Natl. Sci. Rev.》：剪切增强液晶纺丝制备聚合物半导体纤维

高分子科技

2025-10-28

导读：实现了高机械性能和高半导体性能的结构功能一体化半导体纤维的制备...

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聚合物半导体纤维在制造非常规电子设备方面具有巨大的前景，特别是在提高可穿戴技术和智能纺织品的适用性方面。例如，这些纤维最近被用于能量转换、电化学传感和人机交互平台。然而，可穿戴与智能纺织的发展受制于“刚性聚合物半导体难纺、纤维强度与器件性能难兼得”两大瓶颈。

为解决这一问题，东华王刚研究员、王宏志教授联合林雪平大学Simone Fabiano教授提出了剪切增强液晶纺丝新策略，实现了高机械性能和高半导体性能的结构功能一体化半导体纤维的制备。

相关研究以“Shear-enhanced liquid crystal spinning of conjugated polymer fibers”为题发表在学术期刊National Science Review上（DOI: 10.1093/nsr/nwaf331）。博士生蒋浩与林雪平大学杨驰远助理教授为共同第一作者。相关工作得到了朱美芳院士指导，受到国家自然科学基金、国家重点研发项目等支持。

研究团队提出了剪切增强液晶纺丝方法：在微流控喷丝区通过提升流速与溶液黏度，施加可控剪切，使溶液在低于传统阈值的条件下诱导形成各向异性的液晶相，并在固化过程中将高取向、高结晶度的分子堆砌“锁定”。有限元流场模拟、流变/偏光原位表征与分子动力学模拟的联合分析表明：剪切作用提升了分子的轴向比，显著降低液晶相转变的临界浓度，从而实现了连续纺丝与宏观可规模化生产。

在此分子级调控下，性能实现多重增益：高分子量纤维的杨氏模量约 15.3 GPa，抗拉强度约 600 MPa，断裂伸长率约 54%，屈服强度约 383 MPa；并在 −196 °C 至 500 °C 的极端温度、强酸碱/有机溶剂以及强紫外辐照等条件下仍保持高强度与稳定性。基于该纤维构建的 OECT 中，轴向相较径向方向的载流子迁移率与跨导提升约 4 倍，且器件在 >10000 次循环中依然稳定，处于纤维 OECT 的先进水平。

在系统集成方面，团队构建了全织物 OECT 阵列，显示出优良的一致性；进一步利用纤维 OECT 实现多输入 NAND 逻辑门，并与电致变色织物和纤维锌空气电池集成，搭建可视化逻辑感知系统：对汗液中的 Na⁺/K⁺ 与葡萄糖进行“与非”判决后，可通过颜色变化直观反馈健康状态。

该研究不仅拓展了刚性聚合物半导体纤维在电子纺织领域的应用边界，也在柔性电子、生物电子与可穿戴设备等前沿方向展现出广阔潜力。通过“材料—工艺—器件—系统”的协同设计，为高强度、高性能的半导体纤维及其织物级智能系统提供了一条具有普适性的技术路线。

以下为该工作的具体研究内容：

剪切增强液晶纺丝机制

以 BBL 为核心材料，构建“剪切—液晶—固化”的一体化调控路径：通过提高溶液流速与黏度增强喷丝口区域的剪切应力，在层流条件下（Re≈0.22–8.80）稳定诱导液晶纹理产生，并在固化时将其取向与晶序固定到纤维中。以 BBL₉₉-MSA（5 mg·mL⁻¹，动态黏度 4.737×10⁻² Pa·s）为例，有限元模拟显示随流速提升剪切应力显著增强，原位偏光显微在 45° 观察方向呈现与仿真相一致的双折射增强；分子动力学在 0.0042、0.0105、0.0169 ps⁻¹ 剪切率下均观察到链段沿流向取向、聚集增强，依据Flory 刚棒模型与 Onsager 第二维里理论，剪切提高分子轴向比从而显著降低液晶相转变的临界浓度，拓宽了低浓度下的连续纺丝窗口与放大生产可行性；方法在 BBB、p(g2T-T)、PBFDO、BBL39 与 PEDOT:PSS 等体系上的对比亦揭示了，刚性棒状链（如 BBL、PBFDO）更易出现剪切诱导的液晶双折射与纹理，有效支撑普适性与材料选择策略。

图1 液晶纺丝连续化制备半导体纤维：工艺示意与宏观纤维、不同流速下的剪切速率/应力模拟、剪切力驱动向列流动的 POM 观察、不同剪切条件下的 MSD 与分子轨迹、临界浓度—分子量相图（Flory 刚棒模型拟合相界）、以及纤维SEM图像

微观结构演化

GIWAXS/WAXS 证实纤维呈现沿轴向高度有序的 edge-on 取向特征：lamellar (100) 峰位于 q ≈ 0.76 Å⁻¹（d ≈ 8.27 Å），π–π 堆积 (010) 峰位于 q ≈ 1.87 Å⁻¹（d ≈ 3.37 Å），随剪切增强 d_π–π 由 3.52 Å 降至 3.37 Å，(010) 峰半高宽收窄、相干长度 L_c(010) 增加、无序度g(010) 降低；WAXS 计算的 Hermans 取向因子约 0.72，说明分子主链面与纤维轴平行而 π–π 堆叠沿径向排列；SAXS 在赤道方向出现 q_ed = 0.144 Å⁻¹ 的弧形散射，对应约 43.8 Å 的双相周期性，且其取向与纤维轴一致，表明由剪切诱导的各向异性液晶结构在凝固后被有效“锁定”，形成贯通的各向异性传输骨架。

图2 BBL纤维的微观结构

机械性能与环境稳定性

分子量与取向-结晶度的协同提升带来了“高强度—高韧性—高耐受”的综合性能。高分子量 BBL₁₆₅ 可实现杨氏模量约 15.3 GPa、抗拉强度约 600 MPa、断裂伸长率约 54%，屈服强度约 383 MPa，满足并优于织造级应用门槛；环境稳定性方面，纤维在 −120 – 250 °C 恒载热机械测试下形变变化极小，DSC 0 – 300 °C 无明显相变，TGA 至 500 °C 仍保留约 98.2% 质量；在强 UV（365 nm，5000 W·m⁻²，12 h）与强酸/强碱/有机溶剂中，BBL 纤维分别保持约 96% 与 90 – 94% 的强度，显著优于低剪切取向样品，凸显结构有序性对抗环境扰动的决定性作用。

图3 取向与力学性能：45° POM 显示明显轴向取向；应力–应变曲线；抗拉强度优于常见纺织纤维；经紫外与化学处理后强度保持度高；液氮浸泡后仍可承载负重

半导体纤维 OECT

随着剪切强度的增加，纤维取向度与结晶度的增强显著提升器件表现：在基于 BBL 纤维的 n 型累积式 OECT 中，I_D提升约 53%、I_ON/I_OFF提升约 160%、几何归一化跨导 g_m,norm提升约 25%；本征参数方面，μC* 提升约 30%，在 C* 近似不变的前提下，载流子迁移率提升约 28%。方向各向异性上，轴向相较径向关键指标约提升 400%；同时在门脉冲下经 >10000 次循环仍维持约 10³的开关比与稳定输出。

图4 纤维OECT的半导体性能

织物级阵列与可视化逻辑传感系统

依托可纺性与高一致性的材料体系，在纳米纤维布基底上制备了 27×15 的织物级 OECT 阵列，良率与均一性优异，说明该工艺具备织物级规模集成的可操作性；进一步，利用纤维 OECT 构建NAND 逻辑门，并与电致变色织物及纤维锌-空气电池集成，形成“感知-决策-显示”一体化的可视化逻辑感知系统：通过对汗液 Na⁺/K⁺ 与葡萄糖（GOx 功能化门极）双指标进行“与非”判决，实现驱动电致变色织物可视化输出，为非侵入式实时健康监测提供了直观、低功耗的织物平台。

图5 织物级阵列与可视化逻辑传感系统

小结

本研究的剪切增强液晶纺丝把溶液相态调控、分子取向锁定与晶体序构建有机衔接起来，打通了“液晶诱导-各向异性骨架-载流子连贯通道-器件/织物系统”的完整链条，使刚性聚合物半导体在满足织造成衣的机械性能门槛的同时保持高电化学性能与长时循环稳定，并以织物级阵列与可视化逻辑感知完成系统级验证；未来将面向多材料协同与端到端制造（连续纺丝-织造成形-片上互连-能量/显示模块）进行工艺整合与标准化评估，推动在可穿戴生物电子、智能纺织与具身健康监测等场景中的规模化应用与产业化落地。

团队介绍

东华大学王刚研究员围绕“半导体功能纤维与器件”这一领域进行系统研究，代表性工作有：基于直接微光刻技术实现有机半导体晶体管光-电-离协同的晶圆级集成（Adv. Mater. 2025, 2417452）；基于剪切增强杂化的聚合物半导体纤维半导体器件（Adv. Funct. Mater. 2025, e15197）；基于高精度混合流打印技术的聚合物半导体纤维薄膜基电子器件（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2020, 117, 202000398）；基于一体化流体加工的单纤维电化学晶体管（Adv. Electron. Mater., 2021, 7, 2100231）；高性能纤维状垂直结构有机电化学晶体管的曲面光刻策略（Chem. Mater., 2023, 35, 22, 9739）；基于精密纤维表界面调控的电子-离子杂化半导体纤维及神经界面应用（Nat. Commun., 2023, 14, 2355; Angew. Chem. Int. Ed., 2024: e202418999）。