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(圖片來源：ACS Nano)

蜻蜓有兩對薄、輕和透明的翅膀。這四個翅膀具有由葉脈和翼膜組成的幾何網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使翅膀不僅重量輕，而且機(jī)械強(qiáng)度高，光學(xué)透明(圖1a)。這種透明的結(jié)構(gòu)可以大大減少蜻蜓在捕食或被獵殺過程中自身的暴露，因?yàn)樗鼫p少了太陽光的反射和吸收，增加了可見光的透射率。下載化學(xué)加APP到你手機(jī)，更加方便，更多收獲。

據(jù)此，東華大學(xué)俞建勇院士&王先鋒教授團(tuán)隊(duì)課題組受蜻蜓翅膀結(jié)構(gòu)概念的啟發(fā)，構(gòu)建了蜻蜓翅膀透明結(jié)構(gòu)的簡單等效模型(圖1b)，包括葉脈和翼膜。脈狀結(jié)構(gòu)主要作為結(jié)構(gòu)框架，起到連接結(jié)構(gòu)構(gòu)件和提供機(jī)械支撐的作用。葉脈之間的翼膜結(jié)構(gòu)是主要的透光通道，且該部分的厚度小于葉脈結(jié)構(gòu)。這種具有“框架-通道”模型的宏觀脈-翼-膜結(jié)構(gòu)具有兩個明確的功能，即保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時實(shí)現(xiàn)高可見光透射，從而獲得良好的光學(xué)性能。因此，利用靜電紡絲技術(shù)制備了具有脈狀和翼狀膜狀結(jié)構(gòu)的仿生TCNFMs(圖1c)。該制備方法簡單有效，利用自行設(shè)計(jì)的圖案化基板實(shí)現(xiàn)差動電場，然后在差動電場的誘導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)纖維的定向堆積。首先，制備了具有脈翼膜結(jié)構(gòu)的聚丙烯腈(PAN)納米纖維膜。然后，對PAN納米纖維膜進(jìn)行預(yù)氧化和碳化處理，得到具有所需結(jié)構(gòu)的TCNFMs材料，該材料具有良好的透光性和規(guī)則的表面宏觀結(jié)構(gòu)。

場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖像(圖1d?g)顯示，TCNFMs由具有定向排列的一維納米纖維的二維(2D)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成。圖1d顯示了幾個重復(fù)的單元結(jié)構(gòu)，圖1e清晰地顯示了幀-通道單元結(jié)構(gòu)?？蚣芾w維較厚，而通道結(jié)構(gòu)中纖維積累量較少。該框架通道模型在纖維膜中的結(jié)構(gòu)特征與蜻蜓翅膀的靜脈-翼膜結(jié)構(gòu)非常相似，表明該結(jié)構(gòu)的仿生實(shí)現(xiàn)是成功的。圖1f和圖1g分別為框狀(脈狀)和通道狀(翼膜狀)結(jié)構(gòu)的放大圖像。此外，透射電鏡成像(圖1h)表明，纖維中含有石墨碳和非晶碳。從TCNFM的照片可以看出，它具有良好的透光性能和規(guī)則的表面宏觀結(jié)構(gòu)(圖1i)?；谶@些特性，制備的TCNFMs有望適用于各種應(yīng)用(圖1j)，例如透明空氣過濾器(透明窗紗、透明掩膜等)，同時滿足高效攔截和良好透光性能的要求。

圖1. TCNFMs的設(shè)計(jì)和制備

圖片來源：ACS Nano

可見光的波長范圍一般為400?800 nm，其主要成分為綠-黃光，對應(yīng)波長≈555 nm。因此，選擇波長為532 nm的綠色激光器件作為光源，以可視化TCNFMs 的透光效果(圖2a)。在暗室中，將綠色激光垂直照射在三種不同的介質(zhì)-空氣、無序CNFM和TCNFM上。當(dāng)激光束通過空氣到達(dá)接收面板時，光強(qiáng)基本不變，中心光斑大小和視場最大，亮度最高，忽略了粉塵的影響。然而，當(dāng)激光穿過無序的CNFM并到達(dá)接收屏?xí)r，中心光強(qiáng)急劇下降，視場和亮度減小到幾乎消失的地步。相比之下，當(dāng)激光照射在TCNFM上時，中心光的強(qiáng)度顯著增加，光斑變得較大，視野變亮和擴(kuò)大。這一現(xiàn)象直觀地驗(yàn)證了所制備的仿生TCNFMs具有良好的透光性，進(jìn)一步證明了仿生脈翼膜狀結(jié)構(gòu)的透光增強(qiáng)效果。同時，通過對兩種納米纖維膜透光率的定量分析(圖2b)，結(jié)果表明，CNFM的透光率只有2%，幾乎是不透明的；而TCNFM的透過率高達(dá)37.6%，比無序的CNFM高出一個數(shù)量級(≈18倍)。具體來說，CNFM的吸光率達(dá)到92.1%，而TCNFM的吸光率顯著下降到只有56% (圖2c)。

透光率測試結(jié)果表明，碳納米纖維膜的透光率隨碳化溫度的升高而增加(圖2d)。制備了不同透過率的TCNFMs，并將得到的碳納米纖維膜標(biāo)記為T-X%，其中X表示透過率。四種TCNFMs分別為T-46%、T-40%、T-34%和T-20% (圖2e)。四種TCNFMs的孔隙率分別為93.9%、94.5%、96.2%和94.4% (圖2f)?？梢钥闯?，隨著TCNFMs透過率的增加，孔隙率呈現(xiàn)出略有下降的趨勢。圖2g?j顯示了這四個TCNFM的數(shù)字照片，其中它們的透明度很明顯。在TCNFMs中可以清楚地觀察到遠(yuǎn)處的建筑物，這表明所制備的TCNFMs具有良好的透過率性能。

圖2. TCNFMs的光學(xué)性質(zhì)

圖片來源：ACS Nano

黑碳材料，如石墨、碳纖維和無定形碳，看起來是黑色和不透明的，因?yàn)樗鼈兛梢晕諑缀跛械目梢姽獠ㄩL，這與它們的原子級微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)(圖3a)。經(jīng)過高溫碳化處理的無序CNFM材料不可避免地也含有石墨微晶。對于單根光纖，光將選擇繞行(圖3b)，然后以最小的可見光能量損失繼續(xù)傳播，因?yàn)楣饫w直徑遠(yuǎn)小于可見光的波長，從而導(dǎo)致滑移現(xiàn)象。隨著纖維數(shù)量的增加，堆積和交織，形成了一層具有纖維網(wǎng)絡(luò)的厚膜。光在纖維膜中傳輸時，由于光路復(fù)雜，傳播阻力大，光與纖維接觸面積大，光的吸收損耗嚴(yán)重，透過率極低。這就是無序CNFM材料的光不透過性機(jī)理。而具有脈翼膜狀結(jié)構(gòu)和有序排列的仿生TCNFMs，由于光路清晰，纖維接觸面積小，減弱了基于吸收的光損失，并提供了高光通量的通道(圖3c)。因此，與相同厚度的無序CNFM相比，TCNFMs的單層和網(wǎng)絡(luò)都表現(xiàn)出更高的透光率。

圖3. TCNFMs的光傳輸機(jī)制

圖片來源：ACS Nano

具有靜脈和翼膜狀結(jié)構(gòu)的獨(dú)立式TCNFMs表現(xiàn)出良好的靈活性，使其在折疊、彎曲和纏繞后仍能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性(圖4a)。拉伸測試結(jié)果表明，TCNFM的抗拉強(qiáng)度與無序CNFM相似(≈1.5 MPa)，但其延伸率略大于CNFM(圖4b)，這可能與TCNFM的六方網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。此外，碳化溫度對TCNFM的抗拉強(qiáng)度也有影響。隨著碳化溫度的升高，纖維膜的拉伸強(qiáng)度增加，但斷裂伸長率下降(圖4c)。此外，TCNFMs還表現(xiàn)出良好的屈曲性能，在高應(yīng)變下(ε=80%)有很小的應(yīng)力(圖4e)；經(jīng)過500次高應(yīng)變(ε=70%)的屈曲載荷試驗(yàn)后應(yīng)力值變化不明顯，說明它具有良好的屈曲耐久性。此外，用電子顯微鏡原位觀察了脈翼膜狀單元結(jié)構(gòu)的拉伸過程(圖4G?j)。隨著應(yīng)力的增加，單元結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了輕微的變形，隨后框架部分?jǐn)嗔?，最終導(dǎo)致整個框架結(jié)構(gòu)的破壞。脈狀結(jié)構(gòu)即為TCNFMs提供機(jī)械支撐的主要承重體。因此，可以推斷，整個纖維膜的拉伸過程(圖4K)類似于單元結(jié)構(gòu)的拉伸過程，斷裂總是發(fā)生在框架內(nèi)。

圖4. TCNFMs的力學(xué)性能

圖片來源：ACS Nano

在較低的空氣流量(<50 L min^?1)下，TCNFMs表現(xiàn)出較高的PM_0.3去除效率(>85%)和較低的空氣壓降(<75 Pa) (圖5a?b)。隨著風(fēng)量的增加，PM_0.3的脫除效率降低，空氣壓降增大。此外，隨著TCNFMs透過率的降低，PM_0.3的脫除效率和壓降也隨之增加。這些結(jié)果表明，TCNFMs在去除PM_0.3方面具有良好的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，對過濾后的TCNFMs的透過率保持性能進(jìn)行了評價(jià)。經(jīng)過10次過濾循環(huán)后，透過率略有下降(圖5c)，這是由于纖維表面捕獲了大量的PM_0.3顆粒，增加了光反射損失。

此外，由于碳原子中的自由電子，TCNFMs具有一定的導(dǎo)電性，可以同時滿足導(dǎo)電性、透氣性和透光性的要求，因此有望用于透明電子皮膚和透明柔性光電子器件等透明電子技術(shù)。仿生TCNFMs具有良好的導(dǎo)電性(圖5d?e)，包括小的電阻率(<0.37 Ω·cm)和低的方阻(<1.67 kΩ sq^?1)。此外，TCNFMs表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電穩(wěn)定性，在 90°的彎曲角度下經(jīng)過200次彎曲循環(huán)后，電阻率和薄層電阻幾乎沒有波動。

圖5. TCNFMs的多功能應(yīng)用

圖片來源：ACS Nano

東華大學(xué)俞建勇院士&王先鋒教授課題組利用基于自行設(shè)計(jì)的差動電場的電紡絲技術(shù)，制備了受蜻蜓翅膀啟發(fā)的具有脈翼膜狀結(jié)構(gòu)的TCNFMs。在相同的條件下，這種仿生結(jié)構(gòu)的傳輸增強(qiáng)效果比無序的CNFMs提高了18倍。制備的仿生TCNFMs具有較高的孔隙率(>90%)和良好的光學(xué)透過率(高達(dá)46%)。還具有優(yōu)異的柔韌性和良好的拉伸強(qiáng)度和屈曲力學(xué)性能。此外，TCNFMs還具有高效(>90%)、低壓降(<100 Pa) 的PM_0.3去除性能，以及良好的導(dǎo)電性(<0.37 Ω·cm)。這項(xiàng)工作為TCNFMs材料的發(fā)展提供了重要的借鑒。