圖1. 本工作被《科學·進展》（Science Advances）選為特色論文并在網站首頁進行報道碳納米管被認為是制備超強纖維、透明導電膜、下一代碳基芯片、智能可穿戴設備等眾多前沿領域的候選材料，在過去的三十多年中得到了廣泛關注。碳納米管纖維因其低密度、高強度、高韌性、高柔性、高電導率、低熱膨脹系數和多功能特性，在航空航天和國防軍工等領域具有重大的需求，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)為代表的可穿戴設備領域具有廣闊的應用前景。然而，碳納米管的兩個固有性能特性嚴重限制了其性能提升和應用范圍。首先，碳納米管因其對可見光的超強吸收能力，被認為是世界上最黑的材料，并且由于其表面高度結晶性以及化學惰性，也無法利用常規(guī)方法對其進行化學染色，因此，碳納米管單調的黑顏色和難以著色特性使其難以滿足美學和時尚的要求，極大地限制了它們在柔性可穿戴設備、智能織物、功能涂層等眾多領域的應用。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)境中的應用。
張如范課題組受自然界中結構色的啟發(fā)，首次提出了利用結構致色實現碳納米管彩色化的思路。課題組利用原子層沉積技術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出鮮艷的顏色（圖2）。作者深入研究碳納米管纖維的致色機理，當入射光到達涂有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層表面產生反射、散射或折射現象，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生絢麗的顏色。通過調節(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）均可用作良好的結構致色涂層材料。
圖3.彩色碳納米管纖維的結構耐久性、阻燃性及其力學和電學性能基于結構色的彩色碳納米管纖維表現出優(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鍵，從而使其具有較強的附著力。相比于傳統(tǒng)染料和顏料，以氧化物涂層為基礎的碳納米管結構色表現出了超強的耐久性（圖3），可經受2000次洗滌實驗和10個月以上的高強度紫外線輻照實驗。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，并能保持結構的完整性。此外，氧化物涂層對碳納米管纖維原有的電學和力學性能的影響非常小。因此，這種基于無機氧化物涂層的碳納米管結構致色技術顯著提高了碳納米管的本征性能，大大拓寬了其應用領域。該工作以研究長文形式發(fā)表在國際知名期刊《科學·進展》（Science Advances）上，題為“具備超耐久性和阻燃性的碳納米管結構致色”（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級聯培碩士生黃婭、2020級博士生李潤、2021級聯培碩士生張世亮。其他合作者包括清華大學化工系魏飛教授，博士后王寶順、吳學科、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基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。
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