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复旦团队发明“穿在身上的显示器”,黑科技织布洗500次不会坏

2021-6-8 01:39

中国青年报客户端上海3月11日电(杨泽璇 中青报·中青网记者 王烨捷)今天,复旦大学高分子科学系教授彭慧胜团队的相关研究成果以《大面积显示织物及其功能集成系统》(“Large-area display textiles integrated wi ...


中国青年报客户端上海3月11日电(杨泽璇 中青报·中青网记者 王烨捷)今天,复旦大学高分子科学系教授彭慧胜团队的相关研究成果以《大面积显示织物及其功能集成系统》(“Large-area display textiles integrated with functional systems”)为题在线发表于《自然》(Nature)主刊,审稿人评价其“创造了重要而有价值的新知识”。彭慧胜团队成功将显示器件的制备与织物编织过程实现融合,在高分子复合纤维交织点集成多功能微型发光器件,揭示了纤维电极之间电场分布的独特规律,实现了大面积柔性显示织物和智能集成系统。

现场采访中,彭慧胜向记者展示了这款会发光的布料,研究团队把这种布料做成手套,使它成为一件闪闪发光的手套;把它镶嵌在复旦大学的校服里,使得复旦LOGO可以根据控制低速或高速闪动;把它和钢球放在一起,在洗衣机里洗涤100次(相当于日常洗涤500次),其发光效果并未出现太大变化。

复旦团队发明“穿在身上的显示器”,黑科技织布洗500次不会坏


“下一步,我们想尝试这这款织布显示器的分辨率更高一些,性能更稳定一些,未来应用在智能穿戴等设备上。”彭慧胜说。

记者注意到,显示作为电子设备的重要输出端不断更新迭代,由最初的阴极射线管显示、液晶显示、有机发光二极管显示发展至现在的柔性薄膜显示,取得了长足进步。而彭慧胜团队的这项发明,让“显示器穿在身上”成为可能。它融器件功能、纺织方法、织物形态于一体,使得在衣服上浏览咨询、收发讯息、事件备忘离显示更近。这种智能电子织物,可有力推动传统纺织制造和物联网、人机交互、大数据、人工智能等新兴领域的快速融合发展,有望催生新兴技术,在某些方面给人们的生活方式带来全新变革。

早在2009年,彭慧胜团队就提出聚丁二炔与取向碳纳米管复合以制备新型电致变色纤维的研究思路,然而,电致变色仅在白天可见,晚上则无法被有效应用,使用时域被打上了折扣。2015年,团队在涂覆方法方面取得突破,成功解决共轭高分子活性层在高曲率纤维电极表面均匀成膜的难题,提出并实现了纤维聚合物发光电化学池,并通过编成织物实现了不同的发光图案。但此种方法也有局限之处,经由发光纤维编织所显示的图案数量非常有限,无法实现平面显示器中基于发光像素点的可控显示。

如何在柔软且直径仅为几十至几百微米的纤维上构建可程序化控制的发光点阵列,是困扰团队甚至这个领域的一大难题。

彭慧胜团队适时转换思路。“在织物编织过程中,经纬线的交织可以自然地形成类似于显示器像素阵列的点阵。”以此为灵感,团队着眼于研制两种功能纤维——负载有发光活性材料的高分子复合发光纤维和透明导电的高分子凝胶纤维,通过两者在编织过程中的经纬交织形成电致发光单元,并通过有效的电路控制实现新型柔性显示织物。

目前,该方法可以将发光器件制备与织物编织过程相统一,利用工业化编织设备,实现长6米、宽0.2米、含约50万个发光点的发光织物,发光点之间最小的间距为0.8毫米,能初步满足部分实际应用的分辨率需求。通过更换发光材料,还可实现多色发光单元,得到多彩的显示织物。

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比起传统的平板发光器件,发光纤维直径可在0.2 毫米至0.5 毫米之间精确调控,奠定了其“超细超柔”的特性。以此为材料一针一线梭织而成的衣物,可紧贴人体不规则轮廓,像普通织物一样轻薄透气,确保良好的穿着舒适度。

但令团队矛盾的是,具有高曲率表面的纤维相互接触时,在接触区域会形成不均匀的电场分布,这样的电场不利于器件在变形过程中稳定工作;实际应用中,穿在身上的衣服难免会有磕磕碰碰,也需日常清洗。如何能使显示织物适应外界环境的改变,乃至抵御住反复摩擦、弯折、拉伸等外在作用力,保证发光的稳定性?

团队在导电纤维纬线的力学性能方面下足了功夫,通过熔融挤出方法制备了一种高弹性的透明高分子导电纤维。在编织过程中,该纤维由于线张力的作用,与发光纤维接触的区域发生弹性形变,并被织物交织的互锁结构所固定。“通过对高分子导电纤维的模量调控,使其在与发光经线交织时发生自适应弹性形变,从而形成稳定接触界面,并使得在纤维曲面上形成了类似平面的电场分布,从而确保了织物中‘像素点’的均匀稳定发光。”彭慧胜说。

实验结果表明,在两根纤维发生相对滑移、旋转、弯曲的情况下,交织发光点亮度变动范围仍控制在5%以内,显示织物在对折、拉伸、按压循环变形条件下亦能保持亮度稳定,可耐受100次与钢球一同在洗衣机内洗涤。

据悉,除显示织物之外,研究团队还基于编织方法实现了光伏织物、储能织物、触摸传感织物与显示织物的功能集成系统,使融合能量转换与存储、传感与显示等多功能于一身的织物系统成为可能。该系统在物联网和人机交互领域,如实时定位、智能通讯、医疗辅助等方面表现出良好应用前景。

极地科考、地质勘探等野外工作场景中,只需在衣物上轻点几下,即可实时显示位置信息,地图导航由“衣”指引;把显示器“穿”在身上,语言障碍人群以此作为高效便捷交流和表达的工具……这些原存于想象中的场景,或许在不远将来就能走进人们的生活。

彭慧胜、陈培宁为该论文通讯作者,复旦大学高分子科学系博士研究生施翔、硕士研究生左勇以及工程与应用技术研究院博士研究生翟鹏为第一作者。

来源:中国青年报客户端

来源:中国青年报客户端

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