一、研究背景

掺杂光活性材料的聚合物材料作为传感材料、光电设备、给药载体、涂层和薄膜]应用广泛，还可用于仿生学。除了聚合物成分带来的可变性，还可以通过加入染料分子、金属纳米颗粒和量子点等添加剂来扩展功能，因为这些添加剂具有促进能量传递过程的额外优势。此外，聚合物材料的另一个优势还体现在加工方法的多样性上，包括用于制备聚合物材料的旋涂、热喷涂和滴注[10,11,12]。在这些方法中，电纺丝是一种经济、简单、可重复的方法，值得研究。

电纺丝是一种高度定制化的技术，用于制造直径通常为 100-1000 纳米的聚合物纤维 [13]。由于这些电纺丝薄膜具有高表面积，因此可用于纺织品 [14]、复合材料 [15]、过滤器 [16]、组织工程 [17] 和药物输送 [17]等不同用途。可以使用各种聚合物，因此可以定制各种特性，包括疏水性、孔隙率、导电性、透明度等。纳米纤维的高表面积允许广泛、可控地加入其他光活性材料。例如，某些薄膜的多孔性能允许在光驱动过程后加入和输送较小的纳米颗粒[18]、分子[19]，甚至气体[20]。在电纺薄膜中加入这些纳米材料可以在电纺过程之前或之后通过各种方法实现，下文将对此进行讨论（见下文）。因此，电纺纳米纤维是用于复杂电荷和能量转移过程的绝佳材料。

本综述将讨论纳米纤维的电纺丝过程，以及迄今已报道的纳米纤维薄膜的各种能量和电荷转移系统。在本综述中，参与这些过程的添加剂仅限于分子、量子点和金属纳米颗粒。讨论的电荷和能量转移过程包括佛斯特共振能量转移（FRET）、光诱导电子转移（PET）、金属增强荧光（MEF）和上转换。此外，还讨论了这些薄膜的当前应用。

二、摘要

电纺丝是生产聚合物纳米纤维薄膜的一种经济高效的方法。生产出的纳米纤维可以有多种结构，包括单轴、同轴（芯@壳）和并排（Janus）结构。制成的纤维还可以作为染料分子、纳米粒子和量子点等各种光收集成分的基质。加入这些光收集材料后，薄膜内就会发生各种光驱动过程。本综述讨论了电纺丝过程以及纺丝参数对所产生纤维的影响。在此基础上，我们讨论了在纳米纤维薄膜中探索的能量转移过程，如佛尔斯特共振能量转移 (FRET)、金属增强荧光 (MEF) 和上转换。此外，还讨论了电荷转移过程--光诱导电子转移（PET）。本综述重点介绍了用于电纺薄膜光响应过程的各种候选分子。

三、 结论

电纺丝是一种从溶液中生成聚合物纳米纤维薄膜的工艺。这些纳米纤维有多种结构，如单轴、同轴（核@壳）和并排（Janus）。更有趣的是，这些纳米纤维中还可以加入光收集材料，如金属纳米粒子、荧光团和量子点，从而有效增强其功能。这些光收集材料允许在纳米纤维薄膜中发生各种光驱动过程，包括佛斯特共振能量转移（FRET）、金属增强荧光（MEF）和光诱导电子转移（PET）。通过在纳米纤维中嵌入光采集材料，可制作出功能化薄膜，用于传感器、有机发光二极管、光伏设备、药物输送系统等多种应用。这一领域未来的工作机会非常广阔。更多地关注利用光采集材料在这些一维结构中的受控限制（例如在芯@壳纤维的界面处）及其量身定制的假流动性，可以彻底改变这些纳米纤维在光驱动反应和催化方面的功能。还可以探索其他光驱动系统，如光驱动聚合物降解和生物兼容药物递送的受控剂释放。

图1.电纺丝过程中向聚合物溶液施加电压时在金属喷丝板顶端形成的泰勒锥的示意图。

 

图2.可通过电纺丝制造不同类型的纤维，包括单轴纤维、同轴纤维、三轴纤维和 Janus 纤维。单轴纳米纤维由一种聚合物或聚合物混合物的单一溶液形成，从而产生同质纤维。同轴纳米纤维是由两种不同的溶液通过喷丝板针的芯和壳组件形成的。三轴纳米纤维是通过单个喷丝板喂入三种独立溶液形成的。通过并排喷丝板送入两种独立溶液可形成 Janus 纤维。

 

 

图3.电纺丝可使用三种不同类型的旋转收集器，包括转鼓（左）、有线转鼓（中）和圆盘（右）。这些旋转收集器可形成排列整齐的纤维膜。

 

图4.用两种不同浓度制备的聚苯乙烯（PS）纳米纤维薄膜的对比 SEM 图像。(A) 显示的是用 10% 的较低浓度制备的珠状薄膜，(B) 显示的是用 20% 的较高浓度制备的薄膜。

 

图5.喷丝板顶端的聚合物溶液在不同电压下的示意图。随着施加电压的增加，会形成稳定的喷流，从而形成纳米纤维（如图所示，从第三个喷丝板喷出）。当施加的电压超过某个点时，喷射会变得更加不稳定，从而形成多个喷射（如图所示，从第四个喷丝头喷出）。

 

图6.泰勒锥和射流稳定性随流速增加而变化：射流后退、泰勒锥稳定、喷丝板顶端溶液堆积。

 

图7.不同相对湿度下的喷射凝固会产生不同的纤维形态。随着相对湿度的增加，产生串珠状纤维的可能性也在增加。

 

图8.将 FRET 供体（罗丹明 6 G）和受体（甲酚紫）整合到单轴纳米纤维中，表现出 FRET 。

 

图9.同轴纳米纤维薄膜从芯到壳的 FRET。BODIPY 嵌入核心，罗丹明-B 嵌入外壳。从核心到外壳发生了 FRET

 

图10.将 AgNPs 嵌入涂覆在 ITO 上的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）纳米纤维中。这种薄膜被用作有机光伏设备的附加光收集层。