随着人类社会的发展，人们对极端环境下可为人体提供防护装置的需求日益增长。能够通过视觉方式检测外部威胁，并实时监测内部生理信号以实现最大安全性的防护装置则更受青睐。

多功能半导体纤维的制造及可视化、NFC信息传输双重功能的实现过程

近期，东华大学材料科学与工程学院王刚研究员和中国科学院上海微系统与信息技术研究所付艳艳研究员合作在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Multifunctional Semiconducting Fibers for Visual Detection of Sarin Gas”的研究成果。该研究报道了一种多功能半导体纤维，在毒气中可实现纤维颜色从黄色到红色的可视化检测，并具备近场通信（NFC）功能，用于身体机能预警。

该工作开发的兼具半导体可视化传感与导电信号传输功能的复合半导体纤维，不仅具备毒气检测功能，检测限低至6.08 ppb，并能通过NFC技术实时读取体征数值，为穿戴者提供可靠的安全保障。上述功能进一步推动了智能可穿戴织物产品在环境监测、非侵入式人体健康监测和可穿戴电子设备警示等领域中的潜在应用，为智能便携式多功能可穿戴检测设备的开发提供启示。

研究内容

图1a为采用静电纺丝技术制备多功能半导体纤维流程图，通过图1（b,c）的形貌表征发现，纳米纤维呈45°角方向排列，且密集地覆盖在导电纱线表面，形成同轴结构。由于纤维之间存在较大的空隙，纤维的比表面积较大，从而使样品与探针分子可以有效接触，有利于实现快速高效地分析和检测。

图1多功能半导体纤维的制备流程及形貌表征

导电纱线通过经纬编织制成测试布片，并根据要求裁剪成所需尺寸（图2a）。图2b展示了多功能半导体纤维在空气和沙林毒气模拟物（DCP）中的颜色变化以及紫外灯下测试布片在DCP处理前后的荧光颜色。图2c为织物经DCP气体前后的荧光光谱图，并用第一激发单重态的空穴-激子密度分布进行了计算，图2d为TICT机制。

图2多功能半导体纤维可视化光学表征及机理探讨

图3a为在不同DCP浓度下测试布片在自然光和紫外光下的颜色变化，图3b为对应的荧光光谱。通过DCP浓度与荧光强度变化之间的拟合曲线，得到图3c的线性回归方程为y = 2.9x − 2.85 (R² = 0.9952)。最后作者对复合导电织物进行了特异性测试，说明干扰物质不会影响对DCP的检测，化合物分子对DCP具有很高的选择性（图3d）。综上表明多功能复合半导体纤维实现了良好的检测和应用效果。

图3多功能半导体纤维的荧光特性

该工作进一步展示了可大面积制备的多功能织物的规模化生产的示意图（图4a），并对NFC天线进行了多次弯折扭曲测试，表现出良好的机械循环稳定性，适于佩戴过程中的机械弯曲（图4b）。NFC天线线圈在接触DCP气体后可以观察到明显的颜色变化（图4c）。通过手机软件可以连续读取人体的温度和湿度，记录健康状况（图4d）。

图4基于半导体纤维的智能防护服的制作及应用演示

综上所述，该工作通过一种简单且低成本的静电纺丝技术，构建了具有双重防护功能的半导体纤维，不仅可以提供可视化信号实现危险环境预警功能，而且通过简单的刺绣工艺，将半导体纤维编织成NFC天线线圈，面对化学威胁时可以读取生理数据。在检测有毒物质方面，为可穿戴电子设备与防护服的结合开辟了更广泛的应用前景。

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