基于微流體紡絲技術(shù)原位構(gòu)筑有序熒光纖維在白光LED以及可穿戴設(shè)備的應(yīng)用研究進(jìn)展

南京工業(yè)大學(xué)陳蘇《ACS Appl.Mater. Interfaces》：基于微流體紡絲技術(shù)原位構(gòu)筑有序熒光纖維在白光LED以及可穿戴設(shè)備的應(yīng)用研究進(jìn)展。

納米纖維或纖維微反應(yīng)器近年來因其在組織工程，傳感器和可穿戴設(shè)備中具有重要的應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。在納米或者微米尺寸上能制備出高度有序的纖維是非常困難的。近年來，人們付出了很多努力來制備高度有序且柔韌性和質(zhì)量較輕的熒光纖維薄膜。在這方面報(bào)道最多的方法主要集中在靜電紡絲，熔融紡絲，離心紡絲，和濕紡絲。在這些技術(shù)中，靜電紡絲是制造具有各種聚合物的纖維的最通用的方法，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚（L-乳酸）PLLA，聚乙烯醇（PVA）和聚苯乙烯（PS）。

但是，靜電紡絲需要專用設(shè)備、高壓電源、對(duì)溶液電導(dǎo)率變化敏感，需要導(dǎo)電靶標(biāo)且難以制備出有序的熒光纖維。盡管最近出現(xiàn)了一些新興方法（連續(xù)拉伸紡絲，噴涂和噴墨印刷技術(shù)）可以制備有序的微纖維陣列，但這些裝置設(shè)備昂貴工藝復(fù)雜且耗時(shí)。

圖1.熒光纖維膜的制備及其在編碼，WLED和可穿戴手環(huán)中的應(yīng)用。（a）熒光纖維膜的制備及其在可穿戴手環(huán)中的應(yīng)用示意圖。（b）通過在Y型微流體芯片的節(jié)點(diǎn)下原位反應(yīng)制備CdSe QD / PVP纖維的示意圖。（c）有序熒光編碼（紅色，綠色和藍(lán)色）的示意圖。

南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院陳蘇教授課題組報(bào)道了一種極為簡(jiǎn)單的制備具有高度有序和原位生成超長(zhǎng)（1413 m）CdSe量子點(diǎn)熒光纖維的方法——微流體紡絲技術(shù)（MST）（如圖1）。MST因其理想的制備有序熒光纖維平臺(tái)以及可連續(xù)化操作，高效，靈活和環(huán)保的特點(diǎn)而備受關(guān)注。在這項(xiàng)工作中，他們展示了一種將MST與不同芯片相結(jié)合的方法，用于制備直徑范圍為0.8μm至20 μm的有序纖維。

首先，他們通過三相微流體技術(shù)使用熒光量子點(diǎn)（QDs）成功構(gòu)建了用于制備可穿戴設(shè)備的白色熒光膜。通過該方法所制備的熒光纖維膜具有優(yōu)異的光學(xué)性能和透明度（~84％），以及良好的柔韌性和機(jī)械性能（機(jī)械拉伸~190％）。

圖2.通過MST原位制備CdSe QDs纖維膜。（a）通過Y型微流體芯片原位合成CdSe QD的示意圖。（b）綠色，（c）黃色，（d）紅色。單層CdSe/PVP熒光纖維的熒光顯微鏡圖像。（e）綠色，黃色和紅色CdSe/PVP熒光纖維的PL發(fā)射光譜。（λ= 542 nm, 571 nm和638 nm）。（f）CdSe/PVPQDs纖維的HRTEM圖像。（g）CdSe/PVP纖維粉末的EDS光譜。（h）綠色，黃色和紅色CdSe/PVP熒光纖維的熒光壽命。（i）熒光纖維陣列的樣品圖像，（j）綠色，（k）黃色，（L）紅色CdSe/PVP熒光纖維陣列的熒光顯微圖像。

然后，他們還開發(fā)了一種微纖維反應(yīng)器平臺(tái)，借助MST進(jìn)行QDs的綠色合成。當(dāng)兩種離子（Cd2 +和Se2-）在Y型微芯片的結(jié)點(diǎn)處相遇時(shí)，CdSe QDs /PVP混合熒光微纖維會(huì)立即產(chǎn)生。所提出的這種方法不僅突破了原位反應(yīng)的限制，而且還在溫和的反應(yīng)溫度下（110℃）（低于傳統(tǒng)制備CdSe量子點(diǎn)（約230℃）的方法）快速（在30分鐘內(nèi)）和大規(guī)模（6 cm×6 cm）合成CdSe QDs纖維薄膜提供了綠色途徑。

然后，將生產(chǎn)的CdSe量子點(diǎn)光纖維研磨成熒光粉，制備白光發(fā)光二極管（WLED）。（如圖2）WLED顯示顯色指數(shù)為72以及色域坐標(biāo)（0.3251,0.2667）。最后，他們同時(shí)開發(fā)了一種可控的微流體導(dǎo)向方法，用于簡(jiǎn)便地構(gòu)建一系列熒光編碼。該方法簡(jiǎn)單，低成本且高效，與最新方法（數(shù)字調(diào)節(jié)方法，截止光刻）相比，包含各種編碼信息（如圖3）。

值得提及的是，這些熒光纖維薄膜可能在光學(xué)器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，尤其是防偽和熒光編碼方面。該研究工作發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 30785-30793上。該論文的第一作者為南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院博士生崔婷婷，通訊作者為南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院陳蘇教授。

圖3. 熒光纖維膜的熒光特性及其光學(xué)應(yīng)用。（a）CdSeQDs/PVP熒光纖維薄膜的樣品圖像。（b）CdSe/PVP粉末在紫外光下的數(shù)碼照片。（c）基于在350mA下操作的CdSe/PVP粉末的WLED的EL光譜，插圖：WLED在日光下的照片。（d）CIE1931色度圖上的WLED發(fā)射光譜圖。（e）黑暗中WLED的照片。（f）WLED可穿戴手環(huán)的樣品圖。

這些工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金(21474052 and21736006)、國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃（2016YFB0401700）、材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（ZK201704 andZK201716）的資助。