青岛大学：用于可穿戴显示应用的钙钛矿长丝规模化连续生产技术

摘要：近年来，智能显示技术的快速发展已然成为电子科技革命的重要组成部分，对我们的日常生活产生了重大影响。作为人机交互的关键界面，理想的显示器件应由纤维级的光电单元组成，通过针织、编织和缠绕等技术将光电单元无缝集成到纺织品中，在提供显示功能的同时满足穿戴者舒适、透气性

青岛大学CEJ：用于可穿戴显示应用的钙钛矿长丝规模化连续生产技术

近年来，智能显示技术的快速发展已然成为电子科技革命的重要组成部分，对我们的日常生活产生了重大影响。作为人机交互的关键界面，理想的显示器件应由纤维级的光电单元组成，通过针织、编织和缠绕等技术将光电单元无缝集成到纺织品中，在提供显示功能的同时满足穿戴者舒适、透气性和轻量化的需求。然而，当前的显示技术如液晶显示（LCDs）、有机发光二极管（OLEDs）、量子点发光二极管（QLEDs）、钙钛矿发光二极管（PeLEDs）和交流电致发光（ACEL）大多基于刚性面板或柔性薄膜，这使得它们难以贴合人体轮廓，导致透气性不足，无法满足穿戴者真正的舒适需求，给可穿戴智能显示带来了持续的挑战。

近日，青岛大学游超瑜&孙彬&胡星友团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了题为“Large-scale and Continuous Production of Perovskite Filament for Wearable Fluorescent Textiles”的最新研究成果。研究者通过一种新型的双喷嘴静电纺丝工艺，制备出了明亮、稳定、可拉伸的钙钛矿@聚丙烯腈(CsPbX3@PAN)荧光纤维长丝。如图1所示，与传统的静电纺丝的单喷嘴工艺不同，双喷嘴静电纺丝工艺采用分布于左、右两侧的双喷嘴电极同步出丝。在强电场作用下，溶剂的快速挥发促使钙钛矿量子点在聚合物网络中原位结晶形成纳米级的荧光超细纤维。这些超细纤维通过中心的旋转圆盘进行收集、加捻，在底部的滚筒的牵引下形成纤连续的纤维长丝。PAN聚合物网络既是钙钛矿量子点原位合成的纳米反应器，也充当了保护屏障防止钙钛矿暴露于外部环境，对钙钛矿量子点的稳定性提供了支撑。本研究为制备钙钛矿荧光灯丝提供了一种有效的规模化连续生产策略，扩展了钙钛矿材料在智能显示和可穿戴荧光纺织品领域的应用前景。青岛大学为第一通讯单位。

图1：钙钛矿发光灯丝连续制备过程的示意图和样品照片。

如图2所示，荧光长丝平均直径约为550微米，由许多超细纤维相互缠绕而成。超细纤维表面均匀，钙钛矿量子点被有效地包裹在聚合物内部。钙钛矿纳米晶表现出很高的结晶度，观察到的晶格间距为0.28 nm，与CsPbBr3纳米晶的晶面相匹配。元素分布扫描（EDS）也进一步反映了Cs、Pb和Br元素被C元素牢牢地包裹在内部，表明了聚合物基质对钙钛矿量子点（CsPbBr3）的有效地封装。

图2：形态表征和元素分析。

荧光长丝光学性能优异，在空气、酸碱、有机溶剂和水溶液中均表现出优异的荧光稳定性能。通过调节CsPbX3@PAN（X=Cl，Br，I）灯丝中的卤素组成，可以轻松实现从蓝到红的各种颜色的高纯度光谱调节，并在弯曲、拉伸和扭曲时保持荧光稳定，显示出高度的机械稳定性和可织造性能。

图3：荧光长丝光谱数据分析

此外在150天的铅泄漏测试中，荧光长丝与对照组的Pb2+离子泄漏比仅为2.731%，体现出良好的安全性能。研究者还进行了细胞毒性测试，将荧光长丝与L-929细胞共同培养24小时后细胞存活率保持在97.725%，体现了优良的可穿戴安全性能。

图4：荧光长丝稳定性分析

通过双喷嘴静电纺丝产生的荧光纤维长丝不仅表现出高发光率（PLQY为53.8%）、宽色域（109.7% NTSC）和高分辨率彩色显示（FWHM为27 nm），还具有优异的柔韧性、可拉伸性和耐用性。因此，这些荧光长丝可以通过编织或针织工艺集成到纺织品中，用于各类图案显示如项链、手环、花卉、商标logo等，在运动服饰、安全装备和商业推广等领域均展示出不俗的应用潜力，为创造具有实用价值的设计提供了无限的可能。此外，对设计图案、照明序列和发光颜色的特定顺序编码，可以在特定条件下实现不一样的信号输出，为产品提供额外的防伪措施。本研究为高性能钙钛矿荧光纤维的制造提供了一个新的视角，我们期望这一发现将促进荧光纤维纺织品的发展及其在下一代智能可穿戴光电产品中的应用。

论文链接：http://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158191

人物简介：

游超瑜，青岛大学硕士生导师，青年卓越人才，常州“龙城英才计划”创业领军人才。西班牙马德里理工大学博士，主要研究方向为先进荧光纳米材料、功能纤维复合材料、智能可穿戴设备。主持参与包括西班牙经济竞争基金、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、青岛市博士后创新创业基金在内的多项科研项目，在Nano Energy, J. Hazard. Mater., Chem. Eng. J.等期刊发表论文16篇，授权国家发明专利2项，实用新型专利2项。

孙彬，青岛大学教授、特聘教授、硕士生导师，法兰西理工大学博士。主要研究方向为低维微纳米材料及电纺纤维基柔性可拉伸器件。目前在Nat. Commun.、npj Flexible Electron.、Prog. Mater. Sci.、Prog. Polym. Sci.、J. Mater. Chem. A等期刊上发表论文40余篇，被引5000余次。主持中国博士后面上基金一项，山东省自然科学基金面上项目2项。