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内容概览
现有技术缺点：
传统共轭聚合物虽具优异光电特性，但其脆性和较差的机械性能限制了在耐用纤维和纺织品中的应用。 无机电子纤维（如基于硅和氧化锌的纤维）刚性大，不适合柔性和可穿戴应用，而水凝胶纤维虽柔软但机械性能差，不适用于高性能电子设备。
半导体聚合物因侧链长、结构无序难以加工成强韧纤维，传统湿法纺丝法在低浓度下难实现高强度的纤维生产，同时电子性能不佳。
文章亮点：
提出了一种流动增强结晶（flow-enhanced crystallization，FLEX）方法，通过流动拉伸和溶剂扩散实现共轭聚合物纤维的高结晶度，制造出具有高强度（>200MPa）、高韧性（>80MJ/立方米）的超韧纤维。
该方法降低了聚合物溶液浓度，实现了纤维的连续制备，相比传统方法可大幅提升纤维拉伸性和应变增强电子性能。
纤维表现出优异的机械性能和电子性能，有望超越传统薄膜，适用于大规模生产，且可整合入可穿戴电子设备。
应用场景：
可穿戴电子产品：FLEX方法制成的共轭聚合物纤维适用于可拉伸导体、热电材料、传感器等，用于柔性电子设备。
生物电子学：高机械性能和生物相容性使其适合集成到植入设备中，用于医疗领域的可穿戴监测。
总结：
这项研究创新地运用FLEX方法突破了半导体聚合物纤维的加工和性能限制，实现了强韧纤维的连续制备，展示了良好的机械与电子性能，为可穿戴电子产品和生物电子学的耐用、柔性纤维生产提供了通用方法。
文章名称：Continuous production of ultratough semiconducting polymer fibers with high electronic performance
期 刊：Science Advances
文章DOI：10.1126/sciadv.adk0647
通讯作者：北京大学 雷霆（Ting Lei）
02
图文简介
流动-诱导聚合物解聚和排列
图1. 聚合物的化学结构和FLEX方法机理的示意图。聚合物的化学结构：(A) P(PzDPP-2FT) (CP-1)，(B) P(gTDPP-2FT) (CP-2)，和(C) P(lgDPP-MeOT2) (CP-3)。(D) 自制连续湿法纺丝装置以及半导体聚合物纤维的连续生产的实验装置及主要部件示意图。(E) 流动-增强结晶（FLEX）机制的示意图：(a) 注射器内原始聚集的聚合物，(b) 溶液流动使半导体聚合物解聚并在针内排列；(c) 在凝固浴中缓慢的溶剂扩散和交换可以增强结晶度；(d) 拉伸前和(e) 拉伸后。插图为通过连续生产和收集获得的CP-1纤维的照片（比例尺，1cm）和SEM图像（比例尺，20 μm）。CP-1半导体纤维的平均直径为9.77 ± 0.73 μm（图S2和S3）。
传统的高浓度湿法纺丝方法不适合连续生产高性能半导体聚合物纤维，因为它们通常在溶液中溶解度有限，并且在溶液中严重无序聚集。作者假设，解决半导体聚合物纺丝障碍的关键挑战是找到在溶液中解开和排列聚合物链的方法（图2A）。作者模拟了溶液在针内的流动，发现拉伸流和剪切流均有助于聚合物链的解聚和排列。
图2. 剪切流动-诱导的聚合物解聚和排列效应。
反溶剂流控制的聚合物结晶
作者将证明选择反溶剂对调控半导体聚合物纤维的结晶度和链排列是至关重要的（图2I）。作者认为这种反溶剂依赖性行为与凝固过程中的反溶剂扩散过程有关，可以用Hansen 溶解度参数（图2J）来解释。通过彩色溶液追踪实验验证了慢溶剂扩散和结晶过程（视频S2）。
通过拉伸进一步增强纤维的机械性能
图3. 纤维的机械性能、拉伸增强排列和集成能力。(A) 未拉伸的TL纤维、未拉伸的EtOH纤维和两根拉伸的EtOH纤维的应力-应变曲线。比较该工作的半导体聚合物纤维与文献中其他CP薄膜和纤维的(B) 抗拉强度和(C) 韧性与断裂应变。(D) CP-1纤维不同拉伸比的2D-WAXS图案和(E) 计算的(100)反射的f因子。(F) 该工作的纤维与其他研究在电生理界面中使用的纤维/探针的曲率半径（ROC）比较。(G) 几种关键机械性能在几种纤维材料之间的比较：碳纤维、硅探针、DPP-C5纤维和该工作的CP-1纤维。(H) “PKU”标志缝在无纺布上的照片，展示了该工作的纤维良好穿线和缝纫能力。与织物集成后，纤维表现出优异的拉伸性。
纤维电子器件的应变增强电性能
纤维的优异的机械性能和生物相容性鼓励作者探索它们的潜在应用(图4A)。基于纤维OECTs，开发了乳酸和心电图（ECG）传感器（图4，H至J），表现高灵敏度、好的选择性和准确性和信噪比（图4J）。
图4. 利用FLEX生产的纤维在可穿戴电子中的应用。（A）半导体聚合物纤维潜在的可穿戴应用的示意图。（B）相对电阻（R/R0）应变图表，相比文献报道的可拉伸电子器件，CP-1纤维在拉伸下电阻降低。所有先前报道的结构在拉伸时都存在严重的电阻上升。（C）由n型掺杂的CP-1纤维作为导体连接的发光二极管的照片。（D）CP-1纤维在不同拉伸比例（0、10、20、30、40和50%）下的几何校正电导率、Seebeck系数和PFs的依赖性。插图是纤维OTE器件测量设置的结构示意图。误差棒代表标准偏差。（E）CP-1纤维和其他报道的n型聚合物TE材料的PFs与电导率的比较。（F）CP-3纤维OECT的代表性p型传输特性和相应的gm曲线（W/L= 15 μm/20 μm）。（G）当前报道的OECT器件的gm,A值比较。（H）CP-2纤维OECT的实时响应。（I）从CP-2纤维OECTs的计时电流响应中得出的标准化校准曲线。（J）CP-3纤维OECTs实时记录的心电图信号。
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文献来源
Zhi Zhang et al.,Continuous production of ultratough semiconducting polymer fibers with high electronic performance.Sci. Adv.10,eadk0647(2024).DOI:10.1126/sciadv.adk0647
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