熱致變色傳(chuan)感器為用肉眼監測局部溫度提供了直觀和實時的解決方案。但是，傳統的熱變色傳感器通常使用溶液型或致密薄膜型平臺，當暴露大量的染料分子到表面時，導致靈敏度低和響應速度緩慢。理想的熱變色傳感器應該設計具有高多孔結構，能夠支持熱變色染料的高密度負載，從而最大限度地減少對顏色表達的篩選。
近(jin)日(ri)，韓國科學技術(shu)高(gao)級研(yan)究院Il-Doo Kim教(jiao)授團隊開發(fa)了一種通用且低成本的(de)合(he)成平臺，利用靜(jing)電紡絲技術(shu)制備基于納(na)米纖維 (NF) 的(de)熱致變色傳感(gan)器，以提高(gao)靈敏度、準確(que)性(xing)和與可穿戴設備的(de)高(gao)度兼容性(xing)。靜(jing)電紡絲可(ke)用于制造由用熱致變(bian)(bian)色染(ran)料(liao)固(gu)定的(de) 1D NFs 組(zu)成的(de)多孔膜(mo)(mo)（圖 1aii，b）。基于 NF 的(de)熱致變(bian)(bian)色傳感器的(de)質量受染(ran)料(liao)顆(ke)粒的(de)尺(chi)寸、形狀和(he)含量以及聚合(he)(he)物類型、纖維直徑、膜(mo)(mo)厚度(du)和(he)主體聚合(he)(he)物 NF 排(pai)列的(de)影響。在這個 NF 系統中，作者發(fa)現孔隙率(lv)和(he)透光率(lv)是高熱致變(bian)(bian)色靈敏度(du)的(de)關(guan)鍵因素。
此(ci)外(wai)，除了(le)傳(chuan)(chuan)統(tong)的(de)薄膜(mo)形(xing)式外(wai)，這種熱致(zhi)(zhi)變(bian)色(se) NFs 膜(mo)還可(ke)以生產多種不同的(de)形(xing)態。系統(tong)地設(she)計了(le)NFs的(de)排列(lie)方式，即隨(sui)機排列(lie)(x-y垂直排列(lie))和(he)紗線(xian)型(xing)排列(lie)(z軸扭轉)，通(tong)(tong)過調節(jie)電場(chang)的(de)空間分(fen)布來研(yan)究納米(mi)纖維結(jie)構的(de)影(ying)響，包括NF密度(du)和(he)孔(kong)隙率(lv)對熱變(bian)色(se)傳(chuan)(chuan)感的(de)影(ying)響。研(yan)究結(jie)果表明，與(yu)致(zhi)(zhi)密薄膜(mo)型(xing)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)在(zai) 31.6–42.7 °C 下(xia)相(xiang)比(bi)，基于 NF 的(de)多孔(kong)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)膜(mo)的(de)熱致(zhi)(zhi)變(bian)色(se)靈敏度(du) (ΔRGB) 提高(gao)了(le) 2 到 5 倍(bei)。 這歸(gui)因于染料在(zai)整個多孔(kong) NF 結(jie)構中的(de)均勻分(fen)布（≈95.7%），其表現出優異的(de)透光率(lv)，比(bi)薄膜(mo)型(xing)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)高(gao) 10-30 倍(bei)。通(tong)(tong)過將NFs薄膜(mo)定制成口(kou)罩(zhao)、貼片和(he)手環的(de)形(xing)式，進一(yi)步(bu)展示了(le)基于NF的(de)熱變(bian)色(se)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)作為可(ke)穿戴設(she)備的(de)潛力。相(xiang)關研(yan)究成果以“Porous Nanofiber Membrane: Rational Platform for Highly Sensitive Thermochromic Sensor”為題目發表于期刊《Advanced Functional Materials》上。
圖1 a) i)致密薄(bo)膜(mo)型(xing)和ii)多孔(kong)納米纖維(wei)膜(mo)型(xing)熱變色傳感(gan)器示意圖。b)多孔(kong)納米纖維(wei)膜(mo)型(xing)熱變色傳感(gan)器的合成(cheng)示意圖。c) NFs@160 wt% 染(ran)(ran)(ran)料_10 μm 和 d) NFs@160 wt% 染(ran)(ran)(ran)料_30 μm 的橫截面 SEM 圖像。e) NFs@160 wt% 染(ran)(ran)(ran)料_30 μm, f) NFs@320 wt% 染(ran)(ran)(ran)料_30 μm, g,h) 致密 PMMA 薄(bo)膜(mo)@染(ran)(ran)(ran)料和 i,j) 多孔(kong) PVDF 薄(bo)膜(mo)@染(ran)(ran)(ran)料的 SEM 圖像。
制備過程：將(jiang)聚(ju)丙烯腈(PAN)靜(jing)(jing)電(dian)紡(fang)(fang)絲溶液溶解在(zai)二(er)甲基甲酰胺(DMF)溶劑中(zhong)，加入(ru)一(yi)定(ding)量的(de)(de)(de)熱(re)致變色(se)(se)染(ran)料，制備出一(yi)維NF基熱(re)致變色(se)(se)傳感器。特別是(shi)，該研究(jiu)選擇了直徑為1-5μm的(de)(de)(de)聚(ju)甲醛(quan)三聚(ju)氰(qing)胺(C3H6N6 CH2O)x基比(bi)色(se)(se)染(ran)料。這個尺寸(cun)范圍是(shi)染(ran)料粒(li)子(zi)成功與靜(jing)(jing)電(dian)紡(fang)(fang)NFs結合(he)的(de)(de)(de)關鍵。具體來說，如果熱(re)變色(se)(se)染(ran)料尺寸(cun)太小，染(ran)料很有可能被埋(mai)在(zai)NFs內部，從而(er)降低(di)(di)了顏色(se)(se)的(de)(de)(de)表達。另一(yi)方面，大(da)顆(ke)粒(li)(如>10μm)不(bu)能固定(ding)在(zai)NFs上，降低(di)(di)了聚(ju)合(he)物NFs的(de)(de)(de)機械強度(du)。大(da)顆(ke)粒(li)還會(hui)降低(di)(di)聚(ju)合(he)物溶液的(de)(de)(de)穩定(ding)性，導致靜(jing)(jing)電(dian)紡(fang)(fang)絲過程中(zhong)形成不(bu)穩定(ding)的(de)(de)(de)泰勒錐，并引起靜(jing)(jing)電(dian)噴涂。
圖(tu)2 a) 使用各種(zhong)傳(chuan)(chuan)感器，包括基于(yu)聚合物薄膜的(de)(de)傳(chuan)(chuan)感器和基于(yu) NF 的(de)(de)傳(chuan)(chuan)感器，具有可控(kong)的(de)(de)靜(jing)電紡絲(si)時(shi)間（1、2 或 3 小時(shi)）和染(ran)料量(liang)（160、240 和 320 重(zhong)量(liang)％）。b) NFs@160 wt%染(ran)料_20 μm、PVDF 薄膜和 PMMA 薄膜傳(chuan)(chuan)感器的(de)(de) RGB 值(zhi)。c) 具有受控(kong)膜厚度（10、20 或 30 μm）和染(ran)料量(liang)（160、240 和 320 wt%）的(de)(de)基于(yu) NF 的(de)(de)傳(chuan)(chuan)感器的(de)(de) RGB 值(zhi)。
圖(tu)3 NFs 和基(ji)于(yu)薄膜的(de)(de)熱(re)致(zhi)變色傳感器的(de)(de)水銀孔(kong)(kong)隙率(lv)(lv)計分(fen)析(xi)：孔(kong)(kong)徑分(fen)布(bu)與 a) 樣品重(zhong)量歸(gui)一(yi)化(hua)的(de)(de)汞體積 (dV/dlog(d)) 和 b) 孔(kong)(kong)數分(fen)數。c) NFs 和基(ji)于(yu)薄膜的(de)(de)熱(re)致(zhi)變色傳感器的(de)(de)孔(kong)(kong)隙率(lv)(lv)和熱(re)導(dao)率(lv)(lv)。d) 350-750 nm 光波長范(fan)圍(wei)內的(de)(de)透射率(lv)(lv) (%)。
圖(tu)(tu)(tu)4 a）使(shi)用旋轉絕緣塊誘導聚焦電場技術的(de)(de)(de) x-y 垂直排列的(de)(de)(de) NFs 膜的(de)(de)(de)示(shi)(shi)意(yi)圖(tu)(tu)(tu)和(he)(he) b，c）排列的(de)(de)(de) NFs@顏料的(de)(de)(de)SEM 圖(tu)(tu)(tu)像。d）使(shi)用雙(shuang)噴(pen)嘴系統(tong)的(de)(de)(de) z 軸(zhou)加捻紗線型(xing) NFs 的(de)(de)(de)示(shi)(shi)意(yi)圖(tu)(tu)(tu)。g) 將(jiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)從 27.1 加熱(re)到(dao) 43.3 °C 時取向的(de)(de)(de) NFs@染(ran)料、隨(sui)機 NFs@染(ran)料和(he)(he) NFs 紗線@染(ran)料的(de)(de)(de)照片(pian)。h) 傳(chuan)感(gan)器(qi)在加熱(re)之(zhi)前 (27.1°C) 和(he)(he)之(zhi)后 (34.5–43.3 °C) 的(de)(de)(de) RGB 總和(he)(he)變化。i) 在 40 °C 下取向NFs@染(ran)料傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)(de)(de) 11 次循(xun)環加熱(re)期(qi)間的(de)(de)(de) R、G、B 和(he)(he) RGB 總和(he)(he)值。
圖5 a）應(ying)用于口罩(zhao)、手環和(he)(he)(he)貼片(pian)的(de)(de)(de)(de)可穿(chuan)戴熱致(zhi)(zhi)變色傳(chuan)感(gan)(gan)器。b) 具(ju)有(you)阻擋(dang)特(te)定(ding)物質（PM）和(he)(he)(he)體(ti)溫(wen)傳(chuan)感(gan)(gan)器雙重功(gong)能(neng)的(de)(de)(de)(de)面罩(zhao)式熱致(zhi)(zhi)變色傳(chuan)感(gan)(gan)器示意圖。c) 使用具(ju)有(you)不(bu)同(tong) NFs 膜(mo)厚(hou)度(du)的(de)(de)(de)(de)掩模型傳(chuan)感(gan)(gan)器分別在(zai)(zai) 25、36、38 和(he)(he)(he) 40°C 下(xia)的(de)(de)(de)(de)熱致(zhi)(zhi)變色傳(chuan)感(gan)(gan)結果的(de)(de)(de)(de)照片(pian)圖像(xiang)。d) 分別在(zai)(zai) 36、38 和(he)(he)(he) 40 °C 下(xia)與 25°C 相(xiang)比，口罩(zhao)型傳(chuan)感(gan)(gan)器的(de)(de)(de)(de) ΔRGB 值。e) 口罩(zhao)式膜(mo)的(de)(de)(de)(de) PM 去除效率和(he)(he)(he)品質因數。f) 口罩(zhao)型、手環型和(he)(he)(he)貼片(pian)型傳(chuan)感(gan)(gan)器在(zai)(zai)加熱前后的(de)(de)(de)(de)熱致(zhi)(zhi)變色行為（灰色到白(bai)色）的(de)(de)(de)(de)照片(pian)圖像(xiang)。
小(xiao)結：在這項工作中，作者通過使用熱(re)(re)致(zhi)變(bian)(bian)色(se)染(ran)料和取向可控(kong)的靜電紡絲技術開(kai)發(fa)了(le)(le)高(gao)靈敏度(du)的基于 NF 的熱(re)(re)致(zhi)變(bian)(bian)色(se)傳(chuan)感器。系(xi)(xi)統研究了(le)(le)熱(re)(re)致(zhi)變(bian)(bian)色(se)傳(chuan)感性(xing)能與納米(mi)纖(xian)維結構之間的關系(xi)(xi)，其(qi)中納米(mi)纖(xian)維的特性(xing)，即高(gao)表面積(ji)、高(gao)孔隙(xi)率(lv)和高(gao)效透光(guang)率(lv)，最(zui)大限度(du)地(di)發(fa)揮了(le)(le)微米(mi)級熱(re)(re)致(zhi)變(bian)(bian)色(se)染(ran)料的性(xing)能。在人體溫度(du)范圍內（31.6-42.7°C），與傳(chuan)統的致(zhi)密薄膜(mo)型傳(chuan)感器相比(bi)，基于 NF 的熱(re)(re)致(zhi)變(bian)(bian)色(se)傳(chuan)感器膜(mo)顯示出高(gao)達五倍的熱(re)(re)致(zhi)變(bian)(bian)色(se)靈敏度(du)（ΔRGB）。
此外，電場工程靜電紡絲(si)技術可(ke)以進一(yi)步(bu)調整NFs薄膜(mo)的(de)光學性質，將(jiang)NFs薄膜(mo)排列在二(er)維平面或(huo)螺旋線上，從而進一(yi)步(bu)提高了熱變色(se)靈敏度。特(te)別是，這(zhe)些取向(xiang)可(ke)控的(de)NFs很(hen)容(rong)易適用于口罩、貼片、手(shou)環(huan)等可(ke)穿戴(dai)設(she)備，擴大了它(ta)們作為未來醫療設(she)備的(de)主要體溫(wen)指示器的(de)作用。
