碳纳米管纤维因其质轻高强、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。

　　近日，清华大学张如范教授在多功能碳纳米管纤维方面取得突破，将硅烷功能化的碳纳米点（SiCDs）、二氧化硅光子晶体（SiPCs）和碳纳米管纤维（CNTFs）相结合，实现了碳纳米管纤维的结构致色和光致发光，制备出了具有紫外线探测功能的彩色碳纳米管纤维。相关研究成果以“Structural Coloration and Up/Down-Conversion Photoluminescence of Carbon Nanotube Fibers for Ultraviolet Detection”为题发表于《Advanced Optical Materials》。

　　成 果 掠 影

　　（1）将硅烷功能化的碳纳米点（SiCDs）、二氧化硅光子晶体（SiPCs）和碳纳米管纤维（CNTFs）相结合，实现了碳纳米管纤维的在可见光波段的结构彩色化和在紫外和近红外波段的光致发光。

　　（2）所制备的功能化碳纳米管纤维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。

　　（3）借助SiCDs液滴实现了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 文 导 读

　　SiCDs@SiPCs-CNTFs的制备过程如图1所示。将未经任何预处理的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。

　　图1 SiCDs@SiPCs-CNTFs的制备过程示意图

　　对制备的SiCDs@SiPCs-CNTFs的形貌进行了详细的表征（图2）。碳纳米管纤维由取向无序的碳纳米管束组成，直径为200~300μm。由于碳纳米管束的缠结和聚集，碳纳米管的表面粗糙而不均匀。SiCDs@SiPCs可以在毛细管力的作用下附着在碳纳米管纤维表面并组装成阵列。SiCDs@SiPCs在碳纳米管表面形成短程有序涂层，从而产生非彩虹色的结构色。随着SiCDs含量的增加，二氧化硅光子晶体的边缘变得粗糙，过量的SiCDs将会影响结构色。能量X射线散射光谱（EDS）结果显示，C、O和Si均匀地覆盖在碳纳米管纤维的表面，证明了SiCDs和二氧化硅光子晶体的均匀结合。

　　图2 SiCDs@SiPCs-CNTFs的形貌表征

　　SiCDs@SiPCs-CNTFs的结构色和发光效果如图3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，在365 nm紫外光照射下均展现出均一稳定的光致发光效果。

　　图3 SiCDs@SiPCs-CNTFs的结构色和光致发光效果

　　对其光学性质进行了表征（图4）。荧光光谱结果表明，SiCDs的光致发光具有激发波长依赖性，其发射峰随着激发波长的增加而表现出红移。同时SiCDs具有双光子吸收特性，可以被两倍于原始激发波长的近红外飞秒激光激发。SiCDs的结构在二氧化硅光子晶体中没有被破坏且SiCDs的添加对二氧化硅光子晶体的生长和粒径分布几乎没有影响。

　　图4 SiCDs@SiPCs-CNTFs的光学性质

　　SiCDs@SiPCs-CNTFs在自然光下显示出结构色，在紫外光下发出荧光，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。此外，碳纳米管纤维的柔性没有被破坏，SiCDs@SiPCs-CNTFs可以被缠绕或编织，在制备光致发光织物，柔性电子器件等领域有巨大的应用潜力。

　　图5 SiCDs@SiPCs-CNTFs的应用

　　除了碳纳米管纤维，SiCDs溶液也可以分散成小液滴并沉积在单根碳纳米管或碳纳米管网络上，实现了CNT的快速、方便和无损可视化。由于小液滴对可见光的强米氏散射，可以在普通光学显微镜下直接观察到单根碳纳米管或碳纳米管网络，而且同样可以被紫外光激发发出明亮的荧光，展现出良好的荧光发光特性。

　　图6 SiCDs液滴辅助的碳纳米管光学可视化

　　总 结 与 展 望

　　本工作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。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。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，借助SiCDs液滴实现了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。

　　来源：研之成理、Carbontech

　　原文：10.1002/adom.202400282

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　　原标题：《【复材资讯】清华大学在多功能碳纳米管纤维方面取得突破性成果》

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