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分子傳感纖維材料基礎科學、有機高分子材料、材料檢測與分析技術。

關鍵詞： 聚集誘導發光，濕度響應，可視化，智能纖維

應用領域

微觀環境濕度檢測、人體信息監測

成果簡介

人類的生存和社會活動與水汽密切相關，濕度探測與控制應用於各個領域，如電子封裝運輸、半導體器件、食品工業、化學工程、航空航天等。為了滿足不同的需求，多種類型的濕度探測傳感器被開發出來，如微波、毫米波、太赫茲傳感器和半導體器件等，具有響應速度快、可讀性好、集成化和智能化等優勢。如果濕度傳感器適用於不同的環境構造，且可同時實現濕度梯度分布的動態測量，將會給智能集成系統帶來巨大的革新。最近，一些柔性電子器件被開發出來，並可以實現不同程度的彎折或拉伸。儘管這些電子器件具有優異的性能，但相應的外部驅動設備和電路卻較為複雜和龐大，且加工製備該類器件的工藝過程較為繁複。

熒光成像無需外接微電子設備，通過外界水汽對熒光材料誘發的微環境極性變化，利用UV光激發即得到不同的「肉眼」可見的顏色，從而實現對外界環境濕度的時間-空間實時響應。利用聚集誘導發光（AIE）特性的熒光分子轉子作為功能單元，該分子轉子包含三個片段：給電子的四苯乙烯（TPE）基團、接受電子的吡啶鹽單元、單/雙鍵間隔基團，結合密度泛函理論（DFT，Gaussian 09），證明環境極性增加，介電常數由2.38增加至47.20時，AIE分子轉子發生分子內運動，D-A單元扭轉角變大，從23.95°增加至28.40°。通過靜電相互作用誘導其與吸水性高分子網絡（聚丙烯酸、聚乙烯醇等）組裝進行結構一體化設計。採用具有共軛的D-A熒光分子，基於分子三維高度扭曲結構（分子在固態條件下保持一定的運動性）和分子內電荷轉移（TICT）發光機制，利用其在不同極性微環境下發射譜帶的變化，並獲得環境濕度時間-空間響應的智能高分子材料。製備得到的AIE傳感材料在不同濕度條件下具有明顯的發射波長變化，最大發射波長與濕度呈線性關係，實現了濕度實時、準確、定量、可視化檢測（Adv. Mater.2017, 29, 1703900. 封面）。   利用該熒光智能傳感材料優異的加工性能，將熒光傳感材料應用於電子器件封裝和微型管道內部檢測，實現了水汽的動態梯度分布「可視化」測量。進一步，採用干法紡絲和靜電紡絲技術將以上AIE傳感材料分別加工得到微米和納米纖維，大幅增加材料的活性比表面積，提高智能材料的傳感性能，實現人體活動跟蹤監測（甚至極少量水汽），包括指紋/汗孔成像應用和人機界面定位等，為集成化新器件設計提供可能（國家科學評論，Natl. Sci. Rev.2021, 8, nwaa135）。AIE和一維纖維協同策略不僅為濕度傳感器的開發提供一條新路徑，而且可以作為人工神經來廣泛感知各種環境刺激，由此預見該類AIE濕度傳感纖維在電子工業、化學工程、環境科學、國家安全、航空航天等領域有着光明的應用前景。

經濟效益與社會效益

AIE水汽智能探針具有優異的加工性能，能夠實現在不同維度、尺度下氣體梯度變化可視化實時檢測，滿足不同領域的個性化定製需求。將其應用於電子器件封裝和微型管道內部檢測，可以實現水汽的動態梯度分布「可視化」測量。可以預見該水汽智能探針在電子工業、化學工程、環境科學、國家安全、航空航天等領域有着光明的應用前景。