东华大学《ACS Nano》：受蜻蜓翅膀启发的高透明碳纳米纤维膜

1成果简介

碳纳米纤维膜（CNFM）材料通常为黑色和不透明，其较差的光学性能严重限制了其在电子皮肤、可穿戴设备和环境技术等新兴领域的应用。然而，碳纳米纤维膜由于其复杂的纤维结构和高光吸收，很难实现高透光率。很少有研究人员研究透明碳纳米纤维膜（TCNFM）材料。本文，东华大学王先锋研究员、俞建勇院士团队在《ACS Nano》期刊发表名为“Highly Transparent Carbon Nanofibrous Membranes Inspired by Dragonfly Wings”的论文，研究使用静电纺丝技术和自行设计的图案基板制造了一种受蜻蜓翅膀启发的仿生TCNFM，旨在构建差分电场。与无序的CNFM相比，由此产生的TCNFM产生的透光率提高了约18倍。独立式TCNFM还表现出高孔隙率（>90%）、良好的柔韧性和良好的机械性能。还阐明了TCNFM实现高透明度和减少光吸收的机制。此外，TCNFM 显示高 PM0.3去除效率（>90%），低空气阻力（<100 Pa）和良好的导电性能，包括低电阻率（<0.37 Ω·cm）。

2图文导读

图1.（a） 一组展示天然蜻蜓及其透明翅膀的光学照片。（b） 蜻蜓翅膀结构的简单等效模型和光透射图。（c） TCNFM制备示意图。TCNFM的FE-SEM图像：（d）拓扑结构，（e）晶胞，（f）静脉状结构，（g）翼膜状结构，其中（f）和（g）显示高度取向的纳米纤维。（h） 碳纳米纤维和内部纳米结构的TEM图像。（i） TCNFM的光学图像显示出良好的光传输性能和宏观表面形态。（j） TCNFM的各种应用：透明空气过滤器、透明柔性电子设备等。

图2:（a） 照片显示了光通过不同介质传播产生的模式：分别是空气、CNFM和TCNFM。（b） TCNFM和CNFM的透射率曲线和（c）吸光度曲线。（d） TCNFM在不同碳化温度下的透射率曲线：分别为600、800和1000°C。（e） 四种透射率分别为46%、40%、34%和20%的TCNFM的总透射率曲线、（f）孔隙率和（g–j）数字图像。

图3. (a) 显示碳材料吸收光的机制的示意图。示意图显示了光通过（b）无序CNFM和（c）TCNFM的传播机制。

图4. (a) 具有橡胶特性的独立的TCNFM的光学图像；它可以被弯曲、折叠和缠绕。(b) TCNFM的拉伸强度；对照样品是无序的CNFM。(c) 在600、800和1000℃下碳化的TCNFM的拉伸性能。(d) 从(c)中的不同碳化温度得出的TCNFMs的拉曼光谱。(e) TCNFM的屈曲性能测试（ε=80%）；插图：屈曲测试过程显示。(f) TCNFM的屈曲循环性能测试（ε=70%）。(g-j) 连续拉伸过程中TCNFM的单元格的SEM图像。(k) 连续拉伸下TCNFM的演变示意图。

图5：（a）不同气流速度下不同透光率的TCNFM空气过滤器的PM0.3去除率和（b）压降。(c) TCNFM空气过滤器在10次过滤之前和之后的透光率。(d) 透射率为46、40、34和20%的TCNFM的电阻率和(e)片状电阻；插图：用于照亮发光二极管的TCNFM的照片。(f) TCNFMs在200次弯曲循环下的导电稳定性测试；插图：弯曲显示。

3小结

总之，我们利用基于自主设计的差分电场的静电纺丝技术，成功制造了受蜻蜓翅膀启发的脉翼膜状结构的TCNFM。在相同条件下，这种仿生结构的透射增强效果比无序CNFM提高了≈18倍。所制备的仿生TCNFMs表现出较高的孔隙率（>90%）和良好的光学透过率（高达46%）。阐明了碳材料吸收光能的机理，并介绍了TCNFMs减少光吸收损耗并获得高透光率的机理。此外，独立式TCNFMs表现出优异的柔韧性和良好的拉伸强度和屈曲力学性能。还利用电子显微镜原位观察了单元结构的拉伸过程。此外，TCNFM显示高PMs。0.3去除性能高（>90%）和低压降（<100 Pa），以及低电阻率（<0.37 Ω·cm）的良好导电性能。因此，本工作可为TCNFM材料的开发提供有价值的见解。

文献：
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02667

来源：材料分析与应用