给碳纳米管纤维穿上炫酷的彩色“防火衣”

这一研究以“具备超耐久性和阻燃性的碳纳米管结构致色”（Superdurable and fire-retardant structural coloration of carbon nanotubes）为标题，刊载在《科学·进展》（Science Advances）期刊上。见字知义，它的关键性突破正在于实现了碳纳米管纤维的彩色化与阻燃性两大性能增益。

想要实现衣服、饰品等穿戴的智能化，核心在于其中内嵌灵敏的高性能电极材料。张如范团队的研究对象——碳纳米管就是个极好的选择。它从力学、电学、热学性能上都完全符合要求，唯一美中不足的是，它自身呈黑色，且难以用常规涂料染色。“这个缺点或许不会‘致命’，但一定是个性能短板。”张如范说。

对此，研究首次提出了利用结构致色实现碳纳米管彩色化的思路：在碳纳米管纤维表面覆盖一层厚度仅几十到几百纳米的氧化物（如二氧化钛、氧化铝等）致密涂层，它能与可见光发生折射、干涉、衍射等各种光学作用，如无色透明的小水滴在阳光下折射出迷人的彩虹，碳纳米管纤维的表面也会因此呈现出鲜艳的颜色。

碳纳米管纤维的结构致色方法及其原理示意图

涂层极薄，却又坚韧。一方面，相比碳纳米管纤维自身的直径，它的厚度可以忽略不计，这直接保证了其柔韧性足够与织物融为一体。另一方面，常规颜料中的化学分子在日光照射或重复水洗后会老化、溶解，但彩色碳纳米管依托自身结构呈现的物理颜色，可承受2000次高强度耐水洗性能测试和10个月以上的高强度紫外线辐照实验——相当于在北京晴朗夏天的户外曝晒350多年——这就是文章标题中“超耐久性”的由来。

彩色碳纳米管纤维的结构耐久性、

阻燃性及其力学和电学性能

此外，团队还发现，在碳纳米管表面包裹氧化物，相当于给它穿上了“防火衣”，使其具备了极好的阻燃能力，这大大开拓了碳纳米管纤维在航空航天、军事装备等尖端科技领域的应用。碳纳米管既结实又轻质，很适合用来制造导弹、飞机和火箭骨架。然而飞行器动辄面临几百乃至上千度的高温有氧环境，“碳不耐火”这一无奈的事实一直困扰着既往的研究者们。而本研究发展的碳纳米管纤维高效阻燃技术则在很大程度上破解了“阻燃性”的难题，大大拓展了其应用领域。

张如范副教授介绍说，多年来他一直从事超长碳纳米管的基础研究。这一次，他与他的团队通过结构致色技术，首次在宏观层面实现了碳纳米管纤维的多重性能提升。集既往之所成，拓未来之进路。《科学·进展》期刊在官网首页推送了这篇论文色彩缤纷的特色图片，人们或许可从中看出彩色碳纳米管纤维炫酷而美妙的无限可能。

“这种彩色碳纳米管纤维还可以进一步实现电致变色、智能传感、温度调控、信号传递等多方面的性能增益，在柔性可穿戴设备、智能电子、人机交互、空间探索等领域拥有广阔的应用前景。”张如范描绘道。

“这不是凭空想象。”他强调，“这是科学界正在进行的研究，是我们真实可触及的未来。”

素材来源 | 化工系

文字丨陶天野

题图设计 | 于毅 梁晨

编辑 | 周襄楠 吕婷 陈晓艳

排版丨袭润昊

审核 | 刘蔚如