微納結構表面可以賦予材料許多優(yōu)異的特性，如親疏水、抗菌、產(chǎn)生結構色等。因此，實現(xiàn)大規(guī)模制備具有可任意設計的表面結構的功能纖維對于拓寬纖維基器件應用范圍和促進智能織物的發(fā)展等有重要意義。近年來，纖維的熱拉工藝由于其高穩(wěn)定性和良好的材料與結構兼容性被廣泛應用于功能纖維的大規(guī)模制備，并在傳感、能量收集與轉換和人機接口等領域取得進展。然而，以往報道的熱拉纖維的表面結構僅限于沿纖維長度方向上的溝槽。這是由于材料在熱拉工藝中將不可避免地被拉長2-6個量級，以及表面張力的作用，材料表面不平整的區(qū)域在熱拉的過程中會趨于平滑導致的。因此，基于熱拉法在纖維表面制備可任意設計的微納結構仍是挑戰(zhàn)。

　　中國科學院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心和新加坡南洋理工大學研究團隊聯(lián)合研發(fā)了一種在熱拉纖維成型的過程中直接壓印（DITD）的工藝。該工藝在熱拉纖維的同時制備表面微納結構，從而實現(xiàn)具有微納結構表面的功能纖維的大規(guī)模制備。該工藝制備的微納結構可以根據(jù)需求任意設計，結構分辨率可達幾十納米，并能夠覆蓋成百上千米的纖維的整個表面。研究人員就該DITD工藝的熱學過程、分辨率、重復性等過程進行研究，進一步展示了基于DITD工藝制備的纖維在超表面、能量收集和自供能傳感等能領域的應用，證明了該工藝在多功能纖維、柔性可穿戴器件和智能織物等領域的良好前景。

　　研究人員通過將預制棒在爐子內(nèi)加熱拉伸后，直接用兩個帶有預設表面結構的滾輪作為模板，對剛拉制的纖維進行連續(xù)壓印，使纖維表面形成連續(xù)的，與滾輪上表面結構相反的微納結構。從電鏡照片可以看出該工藝制作的表面結構質(zhì)量非常高，與所用模板的結構完全吻合。同時，清晰的衍射花樣表明纖維表面的微納結構呈現(xiàn)良好的周期性。研究人員還展示了利用該工藝制作的多種表面結構和長達300米的具有表面結構的纖維。該工藝可適用于多種材料，且不影響材料本身的機械性能。

　　此外，研究人員制備了帶有表面微結構的功能纖維并組裝成了摩擦電納米發(fā)電機，與沒有表面微結構的器件相比，可以看出微結構明顯提升了這種纖維基器件的輸出性能。這種微結構具有很好的耐磨性，因此在長時間工作下器件性能沒有明顯變化。研究人員將這種具有微結構的功能纖維編織到商用布料里從而組裝成多點觸摸傳感織物，展示了該工藝在可穿戴器件等領域的潛力。

　　研究工作受到中科院人才計劃和國家自然科學基金杰出青年項目以及中科院國際合作局國際合作計劃的支持，相關成果近日發(fā)表在Nature Communications上。

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　　圖1.DITD工藝的示意圖

　　圖2.應用于摩擦電納米發(fā)電機和可穿戴多點觸摸傳感的圖案化功能纖維