随着智能工业的快速发展，柔性白光发光（WLE）材料在照明、显示和光电器件中发挥了重要作用。传统的WLE材料主要由无机荧光粉构成，其柔韧性和稳定性较差，限制了其作为柔性光电器件的应用。因此，开发柔性WLE材料具有重大的现实意义。有机荧光材料作为发光材料的重要组成部分，具有来源广、环境友好等优点。其主要通过两条途径实现：一是构建具有多色荧光基团的单个荧光分子，通过调整各基团的比例来实现白光。单组分体系中的荧光组分相互兼容，但其合成过程复杂。另一种是将荧光分子与RGB颜色（红、绿、蓝）或互补色（黄、蓝）混合构成。白光可以通过控制供体-受体系统中不同荧光分子的能量转移（ET）来实现。然而，目前抑制过度的ET效率并实现宽范围的白光发射（WLE）光谱仍然是一个巨大的挑战。
鉴于此，北京化工大学潘凯研究员和赵彪博士开发了一种简单有效的方法来制备荧光纳米纤维气凝胶（NFA）。3D纳米纤维网络有利于荧光分子的均匀分散，可以有效抑制供体和受体之间过量的ET。通过简单地将NFA中蓝色和橙色荧光纳米纤维的质量比调整为3:2，即可获得覆盖整个可见光区域的均匀白光 (0.322,0.305)。这种WLE-NFA具有6.47 mg cm–3的超轻体积密度，且量子产率高达27%。此外，荧光NFA还可以通过冷冻模具的各种设计加工成不同的3D形状和集成发光图案。这种全新的荧光NFA可以克服传统荧光纳米纤维薄膜可塑性差的问题，有望为开发下一代柔性WLE材料提供新思路。相关工作以“Flexible, Ultra-Light, and 3D Designed White-Light-Emitting Nanofiber Aerogel”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。
纳米纤维气凝胶的制备和表征
WLE-NFA完全由纳米纤维（醋酸纤维素（CA）和聚丙烯腈（PAN））组成，其中海藻酸钠（SA）和甲基三氯硅烷（MTS）用作交联剂（图1）。在聚合过程中，MTS分子中的三个氯原子与CA纳米纤维和SA上的羟基发生反应。并且MTS分子进一步聚合成具有3D网络结构的聚硅氧烷并包覆在纳米纤维表面，实现NFA的二次交联。最终可获得具有良好发展的孔隙结构的超轻WLE-NFA。CA纳米纤维表面丰富的羟基促进了氢键的形成，赋予了NFA自支撑性能，可有效避免NFA在冷冻干燥过程中过度收缩。MTS聚合后NFA的表面疏水性明显增强。荧光NFA中的多级孔隙也可以为实现B-PAN和O-PAN纳米纤维的空间隔离提供有效途径（图2）。这种多孔结构将使控制供体和受体之间的ET效率成为可能。
图1 WLE-NFA的制备过程
图2 WLE-NFA的交联过程和表征
纳米纤维气凝胶发光性能
作者通过进一步改变混合荧光纳米纤维分散体中B-PAN和O-PAN的比例，获得了具有不同荧光发射光谱的NFA（图3）。随着NFA中O-PAN纳米纤维含量的增加，橙色光的发射强度会逐渐增强。当B:O质量比设置为3:2时，获得CIE坐标为 (0.322, 0.305)，量子产率高达27%。这种WLE-NFA的发射光谱可以覆盖整个可见光区域，通过不同的滤光片将白光快速转换为任何其他颜色，从而满足全色发光的需要。作者指出，当NFA中有两种荧光纳米纤维时，这种供体-受体系统的ET效率取决于B-PAN和O-PAN纳米纤维之间的空间距离（图4）。供体和受体荧光分子之间的距离越近，系统中存在的ET效率越高，特别是当距离小于r (10 nm) 时。
图3荧光纳米纤维气凝胶发光性能
图4荧光纳米纤维的结构示意图和ET机制
纳米纤维气凝胶的性能和应用
得益于其全纳米纤维和多孔结构，这种超轻WLE-NFA可以稳定地放置在兔尾巴的柔毛上，而不会引起明显的弯曲变形。由于存在交联剂，WLE-NFA的体积密度仅为6.47 mg cm–3 （图5）。WLE-NFA可以在压缩后快速恢复到原始状态。它的压缩强度在50%压缩应变下可以达到0.9 kPa。同时，WLE-NFA可以大角度弯曲，表明其可用于柔性光电器件领域。通过冷冻模具的形状设计，轻松地将荧光NFA加工成不同的3D形状，以满足复杂应用的需求（图6）。如WLE-NFA可以准备成不同的英文字母并进一步组合成单词“WHITE LIGHT”，通过模仿拼图得到简单图案。此外，通过精确控制荧光纳米纤维在冷冻模具各区域的分布，采用一步成型的方法，进一步直接获得了具有太极设计复杂图案的荧光NFA。
图5 WLE-NFA的性能
图6 WLE-NFA的形状设计
小结：作者通过使用静电纺丝纳米纤维制备了具有优异固体可塑性的WLE-NFA。其丰富的孔隙结构不仅赋予了NFA的灵活性，而且有助于有效调节不同荧光分子之间的ET效率。通过简单地将荧光NFA中B-PAN和O-PAN纳米纤维的质量比调整为3:2，即可获得覆盖整个可见光区域的白光 (0.322,0.305)。WLE-NFA不仅具有6.47 mg cm–3的超轻体积密度，也可以在低荧光分子浓度下实现高达27%的高量子产率。此外，荧光NFA还可以制备成所需的3D形状和集成发光图案。这种重建方法将小分子与静电纺丝纳米纤维相结合，开发出低成本、易加工、光学性能稳定的3D柔性WLE材料。这项研究为开发下一代柔性WLE材料提供新思路。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109240
来源：高分子科学前沿
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