【清华大学】
清华新闻网7月4日电 近日，清华大学化工系张如范课题组和中国科学院理化所、济南大学谢政课题组合作报道了结构致色与光致发光的多功能碳纳米管纤维，并将其与织物集成，制备出了具有紫外线探测功能的智能织物。
碳纳米管纤维因具有质轻高强、高导电性、优异的化学稳定性等多方面的优异性能，被认为是下一代高性能多功能纤维的有力候选者。但碳纳米管纤维目前仍存在许多缺点和不足，限制了其实际应用。首先，碳纳米管本身为黑色，不能满足审美和时尚的需求，这极大地限制了其在可穿戴设备、智能织物、功能涂层等众多领域的应用。其次，由于碳纳米管的超黑特性、表面高度结晶性以及化学惰性使其很难与其他功能材料结合，目前功能化的碳纳米管纤维稳定性通常较差。
作为另一种典型的碳纳米材料，碳纳米点由几纳米的分散碳纳米颗粒组成，由于其独特的光致发光特性和低毒性、良好的生物相容性、环境友好和易于合成等优势，在生物成像、光电器件、光催化剂、药物递送等领域得到广泛应用。因此，碳纳米点与纤维和薄膜等柔性材料的结合对智能传感器、可穿戴电子设备和智能显示器等的发展具有重要意义。
在本工作中，课题组通过将硅烷功能化的碳纳米点（SiCDs）、二氧化硅光子晶体和碳纳米管纤维相结合，实现了碳纳米管纤维的结构致色和光致发光。通过Stober法合成了尺寸在数百纳米到微米范围内可控的单分散二氧化硅光子晶体。在二氧化硅光子晶体生长的早期阶段加入SiCDs，随着二氧化硅PC的生长，SiCDs和硅烷共聚嵌入到光子晶体小球中。SiCDs的引入不影响二氧化硅光子晶体的生长过程。SiCDs共聚修饰的二氧化硅光子晶体（SiCDs@SiPCs）可以在碳纳米管纤维表面自组装成层，并产生明亮的结构色。SiCDs@SiPCs-CNTFs的制备过程如图1所示，将碳纳米管纤维浸涂到二氧化硅光子晶体悬浮液中，二氧化硅可在纤维表面自组装形成光子晶体层，所制备的纤维在自然条件下展现出鲜艳的结构色。同时，SiCDs保持了优异的光致发光发射和宽带非线性光学特性。SiCDs@SiPCs-CNTFs的结构色和发光效果如图2所示，纤维的结构色取决于二氧化硅光子晶体的粒径大小，制备了蓝色、绿色、黄色和粉色三种典型颜色的结构色纤维。SiCDs@SiPCs-CNTFs，在365纳米紫外光照射下均展现出均一稳定的光致发光效果，因此可以作为紫外检测器集成到织物中，且其光致发光特性不受环境光的影响，无论是在明亮还是黑暗环境中，只要有紫外线的激发都会发出荧光。所制备的SiCDs@SiPCs修饰的碳纳米管纤维（SiCDs@SiPCs-CNTFs）可以作为紫外线探测器或防伪标签集成到织物中，在智能纺织品、柔性设备、智能显示器等领域展现出巨大的应用潜力。此外，SiCDs液滴还可以实现单根碳纳米管和悬空碳纳米管网络（SCNTN）的光学和荧光可视化。
图1.SiCDs@SiPCs-CNTFs的制备过程示意图
图2.SiCDs@SiPCs-CNTFs的结构色和光致发光效果
图3. SiCDs@SiPCs-CNTFs紫外探测织物
相关成果以“用于紫外探测的结构色和上/下转换光致发光的碳纳米管纤维”（Structural Coloration and Up/Down-Conversion Photoluminescence of Carbon Nanotube Fibers for Ultraviolet Detection）为题，于6月27日发表在《先进光学材料》（Advanced Optical Materials）上。
清华大学化工系2020级直博生李润、济南大学/中国科学院理化所联培2022级硕士生李楠、清华大学化工系2021级直博生赵彦龙为 论文的第一作者，清华大学化工系副教授 张如范和中国科学院理化所研究员 谢政为论文的通讯作者。研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202400282
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