基于微流体纺丝技术原位构筑有序荧光纤维在白光LED以及可穿戴设备的应用研究进展

南京工业大学陈苏《ACS Appl.Mater. Interfaces》：基于微流体纺丝技术原位构筑有序荧光纤维在白光LED以及可穿戴设备的应用研究进展。

纳米纤维或纤维微反应器近年来因其在组织工程，传感器和可穿戴设备中具有重要的应用而受到广泛关注。在纳米或者微米尺寸上能制备出高度有序的纤维是非常困难的。近年来，人们付出了很多努力来制备高度有序且柔韧性和质量较轻的荧光纤维薄膜。在这方面报道最多的方法主要集中在静电纺丝，熔融纺丝，离心纺丝，和湿纺丝。在这些技术中，静电纺丝是制造具有各种聚合物的纤维的最通用的方法，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，静电纺丝需要专用设备、高压电源、对溶液电导率变化敏感，需要导电靶标且难以制备出有序的荧光纤维。尽管最近出现了一些新兴方法（连续拉伸纺丝，喷涂和喷墨印刷技术）可以制备有序的微纤维阵列，但这些装置设备昂贵工艺复杂且耗时。

图1.荧光纤维膜的制备及其在编码，WLED和可穿戴手环中的应用。（a）荧光纤维膜的制备及其在可穿戴手环中的应用示意图。（b）通过在Y型微流体芯片的节点下原位反应制备CdSe QD / PVP纤维的示意图。（c）有序荧光编码（红色，绿色和蓝色）的示意图。

南京工业大学化工学院陈苏教授课题组报道了一种极为简单的制备具有高度有序和原位生成超长（1413 m）CdSe量子点荧光纤维的方法——微流体纺丝技术（MST）（如图1）。MST因其理想的制备有序荧光纤维平台以及可连续化操作，高效，灵活和环保的特点而备受关注。在这项工作中，他们展示了一种将MST与不同芯片相结合的方法，用于制备直径范围为0.8μm至20 μm的有序纤维。

首先，他们通过三相微流体技术使用荧光量子点（QDs）成功构建了用于制备可穿戴设备的白色荧光膜。通过该方法所制备的荧光纤维膜具有优异的光学性能和透明度（~84％），以及良好的柔韧性和机械性能（机械拉伸~190％）。

图2.通过MST原位制备CdSe QDs纤维膜。（a）通过Y型微流体芯片原位合成CdSe QD的示意图。（b）绿色，（c）黄色，（d）红色。单层CdSe/PVP荧光纤维的荧光显微镜图像。（e）绿色，黄色和红色CdSe/PVP荧光纤维的PL发射光谱。（λ= 542 nm, 571 nm和638 nm）。（f）CdSe/PVPQDs纤维的HRTEM图像。（g）CdSe/PVP纤维粉末的EDS光谱。（h）绿色，黄色和红色CdSe/PVP荧光纤维的荧光寿命。（i）荧光纤维阵列的样品图像，（j）绿色，（k）黄色，（L）红色CdSe/PVP荧光纤维阵列的荧光显微图像。

然后，他们还开发了一种微纤维反应器平台，借助MST进行QDs的绿色合成。当两种离子（Cd2 +和Se2-）在Y型微芯片的结点处相遇时，CdSe QDs /PVP混合荧光微纤维会立即产生。所提出的这种方法不仅突破了原位反应的限制，而且还在温和的反应温度下（110℃）（低于传统制备CdSe量子点（约230℃）的方法）快速（在30分钟内）和大规模（6 cm×6 cm）合成CdSe QDs纤维薄膜提供了绿色途径。

然后，将生产的CdSe量子点光纤维研磨成荧光粉，制备白光发光二极管（WLED）。（如图2）WLED显示显色指数为72以及色域坐标（0.3251,0.2667）。最后，他们同时开发了一种可控的微流体导向方法，用于简便地构建一系列荧光编码。该方法简单，低成本且高效，与最新方法（数字调节方法，截止光刻）相比，包含各种编码信息（如图3）。

值得提及的是，这些荧光纤维薄膜可能在光学器件中具有潜在的应用价值，尤其是防伪和荧光编码方面。该研究工作发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 30785-30793上。该论文的第一作者为南京工业大学化工学院博士生崔婷婷，通讯作者为南京工业大学化工学院陈苏教授。

图3. 荧光纤维膜的荧光特性及其光学应用。（a）CdSeQDs/PVP荧光纤维薄膜的样品图像。（b）CdSe/PVP粉末在紫外光下的数码照片。（c）基于在350mA下操作的CdSe/PVP粉末的WLED的EL光谱，插图：WLED在日光下的照片。（d）CIE1931色度图上的WLED发射光谱图。（e）黑暗中WLED的照片。（f）WLED可穿戴手环的样品图。

这些工作得到国家自然科学基金(21474052 and21736006)、国家重点研究发展计划（2016YFB0401700）、材料化学工程国家重点实验室基金（ZK201704 andZK201716）的资助。