七院院士，最新Nature：高性能柔性纖維問世，可穿戴電子新突破！

新加坡南洋理工大學的魏磊教授、七院院士高華建教授，以及中科院蘇州納米所的張其沖和中科院深圳先進技術研究院的陳明，共同發表了一篇關于高性能半導體纖維的最新研究成果。這篇題為“High-quality semiconductor fibres via mechanical design”的論文發表在了《Nature》雜志上。

這項研究展示了一種全新的方法，通過將微型半導體元件送入拉纖機，制造出連續的高性能柔性纖維。這種纖維具有感應、通信和互動的能力，可以廣泛應用于各種場景，如盲人感知交通信號燈的變化，或者在博物館中作為導游等。

圖 1. 半導體光電光纖的設計和制造

為了實現這一目標，研究人員首先對制造過程進行了詳細的力學分析，以確定引起斷裂的應力源。他們發現，玻璃的粘性和金屬絲的熔點不匹配會導致纖芯產生應力，材料的熱膨脹率不同也會產生應力。通過選擇正確的材料組合，可以緩解這兩個問題。例如，硅芯與超韌硅玻璃制成的包層配合使用效果很好，而鍺芯與鋁硅酸鹽玻璃包層配合使用效果更好。

圖 2. 熔芯法中的應力分析和毛細管不穩定性

經過這種方法制造出的光纖無斷裂且質量上乘。然后，將半導體芯與導電線一起放入聚合物管中，再次加熱并拉成可長達數百米的柔性纖維。這種纖維具有p-n結的形式，可以將光信號轉換為電流，是現代電子器件的基本組成部分。

圖 3. 光電纖維、織物和代表性應用

作者還展示了該纖維在多種設備中的應用。例如，將纖維編織成一頂帽子，用于感知交通燈信號；將纖維編織成毛衣，用作光保真(Li-Fi)設備；還將纖維編織成靈活的腕帶，性能優于類似的心率監測設備。

這項技術的另一個關鍵優勢是它的工業就緒性。制造纖維的儀器包括一個纖維牽引裝置，該裝置用于生產電信行業的商用光纖。一旦纖維生成，就可以使用紡織業已經廣泛使用的工具將其編織成織物。

這項研究成果是將微型計算機嵌入日常服裝的一個飛躍。未來一個令人興奮的方向是為纖維配備更復雜的器件，如晶體管，并提高這些功能元件的密度。這將拓寬纖維的電子和光電應用范圍。

總之，這項工作讓人們能夠想象新一代的智能纖維和織物，它們能夠讓個人與周圍環境無縫連接，讓他們的日常體驗完全身臨其境。