清华大学首次制备出彩色碳纳米管纤维

碳纳米管纤维因其低密度、高强度、高韧性、高柔性、高电导率、低热膨胀系数等多功能特性，被认为是制备超强纤维、透明导电材料、下一代碳基芯片等的重要原料，在智能可穿戴、航空航天、国防军工等领域具有很大的潜在应用价值。

然而，由于碳纳米管对可见光的吸收能力超强，被认为是世界上最黑的材料，而且其表面高度结晶，化学惰性极强，因此无法利用常规方法对其进行化学染色，最终导致其单调的黑色无法满足时尚产品的要求，极大限制了在柔性可穿戴设备、智能织物等领域的应用。此外，作为一种典型的碳材料，碳纳米管在高温有氧环境中容易燃烧，这在很大程度上也限制了其在航空航天等领域的应用。

近日，清华大学研究团队在高性能彩色碳纳米管纤维可控制备方面取得重要突破，首次制备出彩色碳纳米管纤维，该纳米管纤维具有优异的阻燃性和耐久性，解决了长期以来碳纳米管难以彩色化和易燃的问题，显著提升了其性能优势，拓展了其应用领域。

受自然界中结构色的启发，研究人员首次提出利用结构生色原理实现碳纳米管彩色化的思路。利用原子层沉积技术在碳纳米管纤维表面覆盖一层厚度仅为50～300nm的二氧化钛（TiO2）致密涂层，就能使碳纳米管纤维表面呈现出鲜艳的颜色。通过研究碳纳米管纤维的生色机理发现，当入射光到达涂有TiO2层的碳纳米管纤维表面时，除了少部分被吸收外，大部分入射光在TiO2层表面产生反射、散射或折射现象，由于TiO2与碳纳米管对可见光反射率与折射率的差异，TiO2层与碳纳米管纤维表面发生薄膜干涉，从而使包覆有TiO2层的碳纳米管纤维产生绚丽的颜色。通过改变氧化物种类（如除TiO2外，还可以是氧化锌、氧化铝、氧化镁、氧化硅等）和厚度，就可以实现碳纳米管纤维表面的颜色变化。该方法具有很好的普适性，可适用于任何类型的碳纳米管纤维。

研究人员还发现，该彩色碳纳米管纤维具有优异的性能：首先，由于氧化物涂层与碳纳米管纤维表面之间存在化学键，从而使其具有较强的附着力；以氧化物涂层为基础的碳纳米管结构色表现出了超强的耐久性，可经受2000次洗涤和10个月以上的高强度紫外线辐照；覆盖氧化物涂层的碳纳米管纤维具备显著的阻燃性能，与纯碳纳米管纤维相比，其在接触火焰8h后仍不发生燃烧，并能保持完整的结构。此外，氧化物涂层对碳纳米管纤维原有的电学和力学性能的影响非常小。

这种基于无机氧化物涂层的碳纳米管结构生色技术显著提高了碳纳米管的本征性能，有效拓宽了其应用领域。相关研究以“Superdurableand fire-retardant structural coloration of carbon nanotubes”为题发表在“Science Advances”上。