清華新聞網(wǎng)7月4日電 近日，清華大學(xué)化工系張如范課題組和中國(guó)科學(xué)院理化所、濟(jì)南大學(xué)謝政課題組合作報(bào)道了結(jié)構(gòu)致色與光致發(fā)光的多功能碳納米管纖維，并將其與織物集成，制備出了具有紫外線(xiàn)探測(cè)功能的智能織物。
碳納米管纖維因具有質(zhì)輕高強(qiáng)、高導(dǎo)電性、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等多方面的優(yōu)異性能，被認(rèn)為是下一代高性能多功能纖維的有力候選者。但碳納米管纖維目前仍存在許多缺點(diǎn)和不足，限制了其實(shí)際應(yīng)用。首先，碳納米管本身為黑色，不能滿(mǎn)足審美和時(shí)尚的需求，這極大地限制了其在可穿戴設(shè)備、智能織物、功能涂層等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。其次，由于碳納米管的超黑特性、表面高度結(jié)晶性以及化學(xué)惰性使其很難與其他功能材料結(jié)合，目前功能化的碳納米管纖維穩(wěn)定性通常較差。
作為另一種典型的碳納米材料，碳納米點(diǎn)由幾納米的分散碳納米顆粒組成，由于其獨(dú)特的光致發(fā)光特性和低毒性、良好的生物相容性、環(huán)境友好和易于合成等優(yōu)勢(shì)，在生物成像、光電器件、光催化劑、藥物遞送等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，碳納米點(diǎn)與纖維和薄膜等柔性材料的結(jié)合對(duì)智能傳感器、可穿戴電子設(shè)備和智能顯示器等的發(fā)展具有重要意義。
在本工作中，課題組通過(guò)將硅烷功能化的碳納米點(diǎn)（SiCDs）、二氧化硅光子晶體和碳納米管纖維相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)致色和光致發(fā)光。通過(guò)Stober法合成了尺寸在數(shù)百納米到微米范圍內(nèi)可控的單分散二氧化硅光子晶體。在二氧化硅光子晶體生長(zhǎng)的早期階段加入SiCDs，隨著二氧化硅PC的生長(zhǎng)，SiCDs和硅烷共聚嵌入到光子晶體小球中。SiCDs的引入不影響二氧化硅光子晶體的生長(zhǎng)過(guò)程。SiCDs共聚修飾的二氧化硅光子晶體（SiCDs@SiPCs）可以在碳納米管纖維表面自組裝成層，并產(chǎn)生明亮的結(jié)構(gòu)色。SiCDs@SiPCs-CNTFs的制備過(guò)程如圖1所示，將碳納米管纖維浸涂到二氧化硅光子晶體懸浮液中，二氧化硅可在纖維表面自組裝形成光子晶體層，所制備的纖維在自然條件下展現(xiàn)出鮮艷的結(jié)構(gòu)色。同時(shí)，SiCDs保持了優(yōu)異的光致發(fā)光發(fā)射和寬帶非線(xiàn)性光學(xué)特性。SiCDs@SiPCs-CNTFs的結(jié)構(gòu)色和發(fā)光效果如圖2所示，纖維的結(jié)構(gòu)色取決于二氧化硅光子晶體的粒徑大小，制備了藍(lán)色、綠色、黃色和粉色三種典型顏色的結(jié)構(gòu)色纖維。SiCDs@SiPCs-CNTFs，在365納米紫外光照射下均展現(xiàn)出均一穩(wěn)定的光致發(fā)光效果，因此可以作為紫外檢測(cè)器集成到織物中，且其光致發(fā)光特性不受環(huán)境光的影響，無(wú)論是在明亮還是黑暗環(huán)境中，只要有紫外線(xiàn)的激發(fā)都會(huì)發(fā)出熒光。所制備的SiCDs@SiPCs修飾的碳納米管纖維（SiCDs@SiPCs-CNTFs）可以作為紫外線(xiàn)探測(cè)器或防偽標(biāo)簽集成到織物中，在智能紡織品、柔性設(shè)備、智能顯示器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。此外，SiCDs液滴還可以實(shí)現(xiàn)單根碳納米管和懸空碳納米管網(wǎng)絡(luò)（SCNTN）的光學(xué)和熒光可視化。
圖1.SiCDs@SiPCs-CNTFs的制備過(guò)程示意圖
圖2.SiCDs@SiPCs-CNTFs的結(jié)構(gòu)色和光致發(fā)光效果
圖3. SiCDs@SiPCs-CNTFs紫外探測(cè)織物
相關(guān)成果以“用于紫外探測(cè)的結(jié)構(gòu)色和上/下轉(zhuǎn)換光致發(fā)光的碳納米管纖維”（Structural Coloration and Up/Down-Conversion Photoluminescence of Carbon Nanotube Fibers for Ultraviolet Detection）為題，于6月27日發(fā)表在《先進(jìn)光學(xué)材料》（Advanced Optical Materials）上。
清華大學(xué)化工系2020級(jí)直博生李潤(rùn)、濟(jì)南大學(xué)/中國(guó)科學(xué)院理化所聯(lián)培2022級(jí)碩士生李楠、清華大學(xué)化工系2021級(jí)直博生趙彥龍為論文的第一作者，清華大學(xué)化工系副教授張如范和中國(guó)科學(xué)院理化所研究員謝政為論文的通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202400282
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
