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摘要
光纤的发明显著提高了人们的生活质量,特别是基于光纤通信的互联网的建立。随着社会的发展以及材料加工技术的进步,传统的石英光纤材料已经不能满足人们日益增长的需求。在此背景下,多材料光纤应运而生,这种融合了光、电、磁、声、热和机械性能等功能材料的光纤极大的扩展了传统光纤的应用领域,在通信、智能传感、能源存储、光电探测、生物医药、3D打印、神经科学、纳米科学与制造等领域具有广泛的应用前景。目前,多材料光纤的发展仍处于初级阶段,需要不断开发并集成新型多功能多材料光纤,并扩展其种类、功能和应用,这对于光纤材料科学的发展以及与其他学科的交叉融合具有重要的意义。本文以多材料光纤为研究对象,主要研究了基于多材料光纤的微纳材料制造以及特种功能多材料光纤的制备与应用,取得的主要成果概括如下:(1)基于多材料光纤制备微纳纤维材料。制备了两类代表性的纤维材料,即高分子纤维和半导体纤维材料。研究结果表明,光纤法可以高效制备微纳纤维材料,所制备的纤维直径、长度和形状可控,单根纤维的尺寸从几十纳米尺度到毫米可控,纤维的长度可达几十米长,并且纤维的形状可以是非圆形。通过迭代拉制光纤或多芯光纤拉制可以批量制备纤维材料,而且光纤法制备微纳纤维材料具有普适性,可以制备不同种类的纤维材料。(2)基于多材料光纤制备复合功能微球及其应用研究。利用光纤内的流体PlateaRayleigh不稳定性制备得到了高分子微球、半导体微球和复合功能微球。研究结果表明,利用光纤的可扩展制备平台,可以高效制备微球颗粒,并且微球的尺寸和结构可控,单个微球的尺寸从20 nm到1.25 mm可控,光纤法可以制备核壳结构微球和多层结构微球。不同功能的材料可复合到微球中,得到功能复合的微球颗粒。进一步研究了光纤法制备的磁性高分子复合微球颗粒的应用,通过在微球表面修饰氨基,可以用于去除水溶液中的重金属离子,在磁性微球表面修饰羧基后可以用于细胞分离。(3)设计并制备了一种金属-半导体-高分子多材料光纤,研究了多材料光纤在光探测和辐射探测领域的应用。通过光纤拉制平台,我们成功将金属材料和半导体材料复合到单根聚合物光纤中。并通过选择性诱导光纤内的Platea-Rayleigh流体不稳定性,在光纤内部得到一种梯形的连通结构。我们使用蒙特卡洛模拟(Monte Carlo Simulation)计算了这种结构光纤器件的射线吸收能力,结果表明纤芯的吸收能力远大于聚合物包层材料。随后,验证了多材料光纤的光探测和X射线探测功能,并且这种柔性光纤可以编织成织物,还可以与商用信号采集卡连接,从而实现远程无线探测功能。我们演示了这种多材料光纤在远程探测上的应用,从而为新型光电探测器件的开发提供了新思路。(4)设计并制备了一种多模态光遗传学光纤探针,可以同步进行光信号和神经信号的探测,并研究了其在活体动物光遗传学上的应用。利用光纤拉制平台,成功将金属材料复合到了聚合物光纤中。并且采用双包层结构,光纤的导光性不受影响,得到一种可以同时导光和导电的多材料光纤探针。光纤探针的物化性能研究表明,其具有优异的机械性能和光学透过性;并且,多模态光纤探针的导电性能良好,其在1 k Hz的阻抗仅为11.57 kΩ。活体动物光遗传学实验结果表明,多模态光纤探针可以实现单神经元水平上的同步光刺激与神经信号记录功能。所记录的电信号幅值高,信噪比高达30 d B,并且可以连续记录10周以上,在宽频率范围内(1-20 Hz)可以实现稳定的光刺激与神经信号记录。并且,所制备的多模态光纤探针的生物相容性比商用石英光纤探针好。
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