碳纳米管纤维具有优异的机械、电学和热学性能，在超强纤维、透明导电膜、柔性可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。然而，碳纳米管纤维固有的黑色大大阻碍了其在智能可穿戴设备、智能纺织品等很多领域的应用，此外，由于碳管纤维表面光滑且化学惰性，很难用常规化学染料对其进行染色。在此背景下，本课题组在前期的工作中，受自然界中结构色的启发，首次提出了利用结构致色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50~300 nm的二氧化钛（TiO₂）致密涂层，即可使碳纳米管纤维表面呈现出鲜艳的颜色。然而，利用单层氧化物沉积的方法所能制备出的的彩色碳纳米管纤维颜色色系较少，且结构色受沉积厚度限制，很难对其饱和度、亮度等进行调控，仍不能满足实用化的需求。

图1 彩色碳纳米管纤维的制备方式及结构表征

在此基础上，本工作进一步通过原子层沉积（ALD）技术在碳管纤维表面包覆两层不同的金属氧化物，实现了碳纳米管纤维的宽色域、饱和度亮度可调节的结构致色。本工作选取了三种具有代表性的金属氧化物，氧化钛（TiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）和氧化锌（ZnO）。通过调整每层氧化物的类型组合和厚度，可以对颜色的色系、饱和度及亮度进行精细调节。不同于单层膜沉积效果，利用不同的双层氧化物组合，实现了从长波红色系到短波紫色系等多种色彩的碳纳米管纤维的制备，且颜色的饱和度、亮度大大提高，带来了明亮鲜艳的颜色效果。

图2 彩色碳纳米管纤维的光学照片

不同于常见的薄膜干涉带来的角度依赖的虹彩色效果，本工作中制备的彩色碳纳米管纤维颜色均一且与观察角度无关。对纤维的结构表征和分析表明，这是由于碳纳米管纤维表面具有褶皱和管束间形成的沟壑，非平整的表面引起了光信号到达视网膜的延迟与重叠，从而带来了非虹彩色效果。进一步地，作者建立了薄膜干涉模型，定义了多个粗糙度因子，揭示了结构致色的机理，证明碳纳米管纤维的非虹彩色结构致色效果是薄膜干涉和表面粗糙度的综合结果。通过引入表面粗糙度参数，反射率模拟结果与实际结果吻合良好。碳纳米管纤维的非虹彩色效果克服了结构致色的角度依赖性，大大拓展了其在智能显示、功能涂层、隐身等领域的应用范围。

图3 彩色碳纳米管纤维的反射率模拟与实际表征结果

该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。SusMat是Wiley-VCH旗下的综合性期刊，专注于可持续材料领域的顶级研究成果。

文章分类：新闻动态研究进展

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