多彩顯示屏織物展示了扭曲下的柔軟和穩(wěn)定。圖片來源：彭慧勝研究組

你有想過“穿”在身上的顯示器嗎？按一按身上的衣服就能看新聞、發(fā)信息，甚至追劇。或許，這就快要變成現(xiàn)實了。

近日，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授彭慧勝團(tuán)隊，成功將顯示器件制備與織物編織過程融合，在高分子復(fù)合纖維交織點集成多功能微型發(fā)光器件，并揭示了纖維電極之間電場分布的獨特規(guī)律，實現(xiàn)了大面積柔性顯示織物和智能集成系統(tǒng)。

3月11日，論文在線發(fā)表于《自然》。審稿人評價其“創(chuàng)造了重要而有價值的新知識”。

實現(xiàn)沒那么容易

從模糊到清晰、從單色到彩色、從笨重到輕薄……近幾十年來，顯示作為電子設(shè)備的重要輸出端不斷更新迭代。而如何將顯示功能有效集成到電子織物中，同時確保織物的柔軟、透氣導(dǎo)濕、適應(yīng)復(fù)雜形變等特性？這是智能電子織物領(lǐng)域面臨的一大難題。

2009年，彭慧勝團(tuán)隊提出聚丁二炔與取向碳納米管復(fù)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，晚上無法有效應(yīng)用。

2015年，團(tuán)隊在涂覆方法方面取得突破，成功解決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，研發(fā)了纖維聚合物發(fā)光電化學(xué)池，最終實現(xiàn)了不同的發(fā)光圖案。但經(jīng)由發(fā)光纖維編織顯示的圖案數(shù)量非常有限，無法充分實現(xiàn)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(gòu)建可程序化控制的發(fā)光點陣列，是困擾團(tuán)隊甚至這個領(lǐng)域的一大難題。

于是，彭慧勝在想，在織物編織過程中，經(jīng)緯線的交織是否可以自然地形成類似于顯示器像素陣列的點陣。

基于此，團(tuán)隊著眼于研制兩種功能纖維——負(fù)載有發(fā)光活性材料的高分子復(fù)合纖維和透明導(dǎo)電的高分子凝膠纖維，兩者在編織過程中的經(jīng)緯交織形成電致發(fā)光單元，并通過有效電路控制制作出了新型柔性顯示織物。

彭慧勝團(tuán)隊還提出了“限域涂覆”制備路線，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(fù)載在纖維基底上。通過多次涂覆，提升纖維發(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(fù)彎折的發(fā)光功能層。

彎折、水洗都不怕

“這就是我們的發(fā)光纖維材料。”彭慧勝拿起一卷纏繞在紡錘上的纖維對《中國科學(xué)報》記者說。

這些直徑不足半毫米的纖維材料，實驗案臺上還有多卷，顏色各異，乍一看與生活中的尋常紗線類似。

“而當(dāng)我們給它們通上電，它們就顯示出了獨特一面——會發(fā)明亮的光。”彭慧勝拿起手邊的一件衛(wèi)衣，衛(wèi)衣上的復(fù)旦大學(xué)校徽由發(fā)藍(lán)光的纖維編織而成，接通電源后，藍(lán)色的校徽圖案在室內(nèi)清晰可辨。

彭慧勝表示，從橫截面方向看，其中一根為涂覆有發(fā)光材料的導(dǎo)電紗線，另一根是透明導(dǎo)電纖維，兩者編織形成經(jīng)緯搭接。“施加交流電壓后，位于發(fā)光纖維上的高分子復(fù)合發(fā)光活性層在搭接點區(qū)域被電場激發(fā)，就形成一個個發(fā)光‘像素點’。”

就這樣，研究人員制備出長6米、寬0.25米、含約50萬個發(fā)光點的發(fā)光織物，發(fā)光點之間最小的間距為0.8毫米，能初步滿足部分實際應(yīng)用的分辨率需求。通過更換發(fā)光材料，還可實現(xiàn)多色發(fā)光單元，得到多彩的顯示織物。

論文通訊作者之一、復(fù)旦大學(xué)陳培寧表示，比起傳統(tǒng)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(diào)控，奠定了其“超細(xì)超柔”的特性。以此為材料梭織而成的衣物，可緊貼人體不規(guī)則輪廓，像普通織物一樣輕薄透氣，穿著舒適度良好。

但具有高曲率表面的纖維相互接觸時，在接觸區(qū)域會形成不均勻的電場分布，這樣的電場不利于器件在變形過程中穩(wěn)定工作。而在現(xiàn)實生活中，穿在身上的衣服難免會有磕磕碰碰，也需日常清洗。如何能使顯示織物適應(yīng)外界環(huán)境的改變，乃至抵御住反復(fù)摩擦、彎折、拉伸等外在作用力，保證發(fā)光的穩(wěn)定性？

于是，研究人員通過熔融擠出方法制備了一種高彈性的透明高分子導(dǎo)電纖維。在編織過程中，該纖維由于線張力的作用，與發(fā)光纖維接觸的區(qū)域發(fā)生彈性形變，并被織物交織的互鎖結(jié)構(gòu)固定。

陳培寧表示，實驗結(jié)果表明，在兩根纖維發(fā)生相對滑移、旋轉(zhuǎn)、彎曲的情況下，交織發(fā)光點亮度變動范圍仍控制在5%以內(nèi)，顯示織物在對折、拉伸、按壓循環(huán)變形條件下亦能保持亮度穩(wěn)定，可耐受上百次的洗衣機洗滌。

走出實驗室

除顯示織物之外，研究團(tuán)隊還基于編織方法實現(xiàn)了光伏織物、儲能織物、觸摸傳感織物與顯示織物的功能集成系統(tǒng)，使制備集能量轉(zhuǎn)換與存儲、傳感與顯示等多功能于一身的織物系統(tǒng)成為可能。

彭慧勝提到，該系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)和人機交互領(lǐng)域，如實時定位、智能通訊、醫(yī)療輔助等方面表現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。

例如，在極地科考、地質(zhì)勘探等野外工作場景中，只需在衣物上輕點幾下，即可實時顯示位置信息，地圖導(dǎo)航由“衣”指引；把顯示器“穿”在身上，語言障礙人群以此作為高效便捷交流和表達(dá)的工具……這些場景或許在不遠(yuǎn)將來就能走進(jìn)人們的生活。

而且，研究人員已經(jīng)把產(chǎn)品從實驗室里“帶了出來”，實現(xiàn)了發(fā)光纖維和織物的連續(xù)化穩(wěn)定制備，有助于推動全柔性顯示織物的規(guī)模化應(yīng)用研究。

“我們也期待著產(chǎn)業(yè)界的合作者們加入，共同解決在實際應(yīng)用中的具體問題。”談及顯示系統(tǒng)的未來發(fā)展道路，彭慧勝充滿期待。（唐鳳 黃辛）