近日，清華大學(xué)化工系張如范副教授課題組在高性能彩色碳納米管纖維可控制備方面取得突破，在世界上首次制備出彩色碳納米管纖維，展示出優(yōu)異的阻燃性能和耐久性能，首次解決了長(zhǎng)期以來(lái)碳納米管難以彩色化和易燃的難題，顯著提升了其性能優(yōu)勢(shì)，拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。
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(guò)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(guó)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(gè)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(duì)可見(jiàn)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(wú)法利用常規(guī)方法對(duì)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(shí)尚的要求，極大地限制了它們?cè)谌嵝钥纱┐髟O(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?cè)陲w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。
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(shí)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(shí)，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(duì)可見(jiàn)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(guò)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(jiàn)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。
結(jié)構(gòu)色（ structural colour），又稱物理色(physical colour)，是一種由光的波長(zhǎng)引發(fā)的光澤。是由于昆蟲(chóng)體壁上有極薄的蠟層、刻點(diǎn)、溝縫或鱗片等細(xì)微結(jié)構(gòu)，使光波發(fā)生折射、漫反射、衍射或干涉而產(chǎn)生的各種顏色。如甲蟲(chóng)體壁表面的金屬光澤和閃光等是典型的結(jié)構(gòu)色。結(jié)構(gòu)色與色素著色無(wú)關(guān)，是生物體亞顯微結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的一種光學(xué)效果。具有不褪色、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。
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，可經(jīng)受2000次洗滌實(shí)驗(yàn)和10個(gè)月以上的高強(qiáng)度紫外線輻照實(shí)驗(yàn)。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(shí)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(duì)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(wú)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。
