基于微流體紡絲技術原位構(gòu)筑有序熒光纖維在白光LED以及可穿戴設備的應用研究進展

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

納米纖維或纖維微反應器近年來因其在組織工程，傳感器和可穿戴設備中具有重要的應用而受到廣泛關注。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備、高壓電源、對溶液電導率變化敏感，需要導電靶標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）可以制備有序的微纖維陣列，但這些裝置設備昂貴工藝復雜且耗時。

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

南京工業(yè)大學化工學院陳蘇教授課題組報道了一種極為簡單的制備具有高度有序和原位生成超長（1413 m）CdSe量子點熒光纖維的方法——微流體紡絲技術（MST）（如圖1）。MST因其理想的制備有序熒光纖維平臺以及可連續(xù)化操作，高效，靈活和環(huán)保的特點而備受關注。在這項工作中，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使用熒光量子點（QDs）成功構(gòu)建了用于制備可穿戴設備的白色熒光膜。通過該方法所制備的熒光纖維膜具有優(yōu)異的光學性能和透明度（~84％），以及良好的柔韌性和機械性能（機械拉伸~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)了一種微纖維反應器平臺，借助MST進行QDs的綠色合成。當兩種離子（Cd2 +和Se2-）在Y型微芯片的結(jié)點處相遇時，CdSe QDs /PVP混合熒光微纖維會立即產(chǎn)生。所提出的這種方法不僅突破了原位反應的限制，而且還在溫和的反應溫度下（110℃）（低于傳統(tǒng)制備CdSe量子點（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（0.3251,0.2667）。最后，他們同時開發(fā)了一種可控的微流體導向方法，用于簡便地構(gòu)建一系列熒光編碼。該方法簡單，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器件中具有潛在的應用價值，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)大學化工學院博士生崔婷婷，通訊作者為南京工業(yè)大學化工學院陳蘇教授。

圖3. 熒光纖維膜的熒光特性及其光學應用。（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。

這些工作得到國家自然科學基金(21474052 and21736006)、國家重點研究發(fā)展計劃（2016YFB0401700）、材料化學工程國家重點實驗室基金（ZK201704 andZK201716）的資助。