圖1. 本工作被《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）選為特色論文并在網(wǎng)站首頁進(jìn)行報道碳納米管被認(rèn)為是制備超強(qiáng)纖維、透明導(dǎo)電膜、下一代碳基芯片、智能可穿戴設(shè)備等眾多前沿領(lǐng)域的候選材料，在過去的三十多年中得到了廣泛關(guān)注。碳納米管纖維因其低密度、高強(qiáng)度、高韌性、高柔性、高電導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和多功能特性，在航空航天和國防軍工等領(lǐng)域具有重大的需求，能夠有效地提高飛行器的有效載重、耐腐蝕性、抗沖擊疲勞性、耐熱性等。此外，碳納米管纖維也是制備柔性纖維電極的理想材料，在以智能電子織物及其功能集成系統(tǒng)為代表的可穿戴設(shè)備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，碳納米管的兩個固有性能特性嚴(yán)重限制了其性能提升和應(yīng)用范圍。首先，碳納米管因其對可見光的超強(qiáng)吸收能力，被認(rèn)為是世界上最黑的材料，并且由于其表面高度結(jié)晶性以及化學(xué)惰性，也無法利用常規(guī)方法對其進(jìn)行化學(xué)染色，因此，碳納米管單調(diào)的黑顏色和難以著色特性使其難以滿足美學(xué)和時尚的要求，極大地限制了它們在柔性可穿戴設(shè)備、智能織物、功能涂層等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，作為一種典型的碳材料，碳納米管高溫有氧環(huán)境中容易燃燒，這種易燃特性嚴(yán)重限制了它們在飛行器外殼、武器裝備等眾多涉及高溫有氧環(huán)境中的應(yīng)用。
圖2.碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)致色方法及其原理示意圖張如范課題組受自然界中結(jié)構(gòu)色的啟發(fā)，首次提出了利用結(jié)構(gòu)致色實現(xiàn)碳納米管彩色化的思路。課題組利用原子層沉積技術(shù)在碳納米管纖維表面覆蓋一層厚度僅為50~300納米的二氧化鈦（TiO2）致密涂層，即可使碳納米管纖維表面呈現(xiàn)出鮮艷的顏色（圖2）。作者深入研究碳納米管纖維的致色機(jī)理，當(dāng)入射光到達(dá)涂有TiO2層的碳納米管纖維表面時，除了少部分光被吸收外，大部分入射光在TiO2層表面產(chǎn)生反射、散射或折射現(xiàn)象，由于TiO2與碳納米管對可見光反射率與折射率的差異，TiO2層與碳納米管纖維表面發(fā)生薄膜干涉，從而使包覆有TiO2層的碳納米管纖維產(chǎn)生絢麗的顏色。通過調(diào)節(jié)氧化物種類和厚度，即可改變碳納米管纖維表面的顏色。這種致色方法具有很好的普適性，可適用于任何類型的碳納米管纖維；此外，除了TiO2，其他常見的氧化物（如氧化鋅、氧化鋁、氧化鎂、氧化硅等）均可用作良好的結(jié)構(gòu)致色涂層材料。
圖3.彩色碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)耐久性、阻燃性及其力學(xué)和電學(xué)性能基于結(jié)構(gòu)色的彩色碳納米管纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。首先，由于氧化物涂層與碳納米管纖維表面之間存在化學(xué)鍵，從而使其具有較強(qiáng)的附著力。相比于傳統(tǒng)染料和顏料，以氧化物涂層為基礎(chǔ)的碳納米管結(jié)構(gòu)色表現(xiàn)出了超強(qiáng)的耐久性（圖3），可經(jīng)受2000次洗滌實驗和10個月以上的高強(qiáng)度紫外線輻照實驗。更重要的是，覆蓋氧化物涂層的碳納米管纖維具備顯著的阻燃性能，與純碳納米管纖維相比，覆蓋有氧化物涂層的碳納米管纖維在接觸火焰8小時后仍不發(fā)生燃燒，并能保持結(jié)構(gòu)的完整性。此外，氧化物涂層對碳納米管纖維原有的電學(xué)和力學(xué)性能的影響非常小。因此，這種基于無機(jī)氧化物涂層的碳納米管結(jié)構(gòu)致色技術(shù)顯著提高了碳納米管的本征性能，大大拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。該工作以研究長文形式發(fā)表在國際知名期刊《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上，題為“具備超耐久性和阻燃性的碳納米管結(jié)構(gòu)致色”（Superdurableand fire-retardant structural coloration of carbon nanotubes），并被選為該期刊2022年第26期特色論文（Featuredarticle）（圖1）。論文通訊作者為清華大學(xué)化工系張如范副教授，共同第一作者為化工系博士后陳鳳翔，2019級聯(lián)培碩士生黃婭、2020級博士生李潤、2021級聯(lián)培碩士生張世亮。其他合作者包括清華大學(xué)化工系魏飛教授，博士后王寶順、吳學(xué)科、張文碩，2019級博士生姜沁源、2021級博士生汪菲、2021級博士生趙思名。共同作者還包括武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林院士、2019級博士生呂佩、2022級碩士生駱宇新。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。
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