氣凝膠纖維由于結(jié)合了氣凝膠的輕質(zhì)、多介孔特性與纖維的柔韌、細(xì)長(zhǎng)特性，而在智能織物、柔性電子設(shè)備和光學(xué)器件等領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，目前的氣凝膠纖維的合成方法和性能還面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，開(kāi)發(fā)的石墨烯氣凝膠纖維的電導(dǎo)率仍不足以滿(mǎn)足一些實(shí)際應(yīng)用，如電加熱和電磁屏蔽等。因此，制備具有性能增強(qiáng)的氣凝膠纖維或制造具有新型納米結(jié)構(gòu)單元的新型氣凝膠纖維仍然是一項(xiàng)緊迫而關(guān)鍵的任務(wù)。
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同研究員等人通過(guò)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠紡絲和超臨界CO2干燥技術(shù)制備了一種Ti3C2Tx MXene氣凝膠纖維。該氣凝膠纖維具有可調(diào)節(jié)的孔隙率(96.5–99.3%)、高比表面積（142 m2 g-1）和低密度（0.035 g cm-3）等特點(diǎn)。得益于MXene納米片的導(dǎo)電性以及由動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠濕法紡絲實(shí)現(xiàn)的高取向結(jié)構(gòu)，所得氣凝膠纖維展現(xiàn)出高達(dá)104 S m-1的超高導(dǎo)電率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他已知的氣凝膠材料。此外，該氣凝膠纖維還具有優(yōu)異的電熱/光熱雙響應(yīng)性，在柔性可穿戴設(shè)備、智能織物和便攜式設(shè)備應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力。該研究以題為“Electrically Conductive, Optically Responsive, and Highly OrientatedTi3C2Tx MXene Aerogel Fibers”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
【氣凝膠纖維的制備策略】
作者通過(guò)Ti3C2TxMXene納米片的簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠紡絲和超臨界CO2干燥制備出具有高導(dǎo)電性的MXene氣凝膠纖維，該制備策略具有連續(xù)、易操作和可批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。基于MXene納米片的可紡性和Ca2+的交聯(lián)能力，所得氣凝膠纖維具有柔韌性、低密度、高孔隙率和大比表面積的優(yōu)異特性（圖1）。通過(guò)自然干燥獲得的MXene纖維，其密度通常為3.0-4.0 g cm-3，且孔隙率低于20%。在此，超臨界干燥過(guò)程既不會(huì)導(dǎo)致由毛細(xì)管力引起的結(jié)構(gòu)坍塌，也不會(huì)破壞由溶劑晶體生長(zhǎng)引起的氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，該氣凝膠纖維的密度可低至0.035 g cm-3，孔隙率高達(dá)96.5-99.3%，體現(xiàn)了超臨界CO2干燥的優(yōu)勢(shì)。
圖1氣凝膠纖維的制備示意圖
圖2氣凝膠纖維的表征和性能
【高導(dǎo)電性及電熱響應(yīng)】
作者改變紡絲濃度來(lái)調(diào)節(jié)MXene納米片的取向，使得電導(dǎo)率提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)至104 S m-1（圖3a），優(yōu)于其他氣凝膠材料（圖3b）。優(yōu)異的導(dǎo)電性可歸因于：（1）MXene納米片固有的類(lèi)金屬導(dǎo)電性；（2）微米級(jí)的MXene納米片；（3）動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠紡絲誘導(dǎo)MXene納米片的高取向?；趦?yōu)異的導(dǎo)電性，該氣凝膠纖維表現(xiàn)出顯著的焦耳熱效應(yīng)。隨著輸入電壓的增加，氣凝膠纖維的溫度逐漸升高（圖3d），僅需0.5 V的輸入電壓就能使表面產(chǎn)生熱效應(yīng)。當(dāng)輸入電壓達(dá)到4.5 V 時(shí)，氣凝膠纖維的表面溫度已超過(guò)178℃，而輸入功率密度僅僅1.63 Wcm-2。與商業(yè)碳纖維相比，該氣凝膠纖維在相同的輸入電壓下展現(xiàn)出更低的響應(yīng)電壓、更高的響應(yīng)速度和更高的溫度（圖3e-g），具有優(yōu)異的電熱響應(yīng)能力。
圖3氣凝膠纖維的導(dǎo)電性能和電熱響應(yīng)
【光熱響應(yīng)性能】
該氣凝膠纖維還具有高光吸收能力，在近紅外區(qū)域接近100%（圖4a）。正如預(yù)期的那樣，其還表現(xiàn)出出色的光熱響應(yīng)能力。在一次陽(yáng)光照射下，單根纖維的溫度可以升至40℃，并持續(xù)5分鐘。此外，作者還研究了其在低溫環(huán)境下的光響應(yīng)性。在液氮頂部的氣凝膠纖維在一次陽(yáng)光照射2 min的條件下，其溫度仍可以升至40℃，這說(shuō)明該氣凝膠纖維還具備光熱轉(zhuǎn)換功能和極低溫度下的保暖效果（圖4c）。為了進(jìn)一步評(píng)估其光熱響應(yīng)穩(wěn)定性，作者記錄了一束纖維的循環(huán)溫度變化。結(jié)果表明，該氣凝膠纖維的光熱響應(yīng)性能在循環(huán)過(guò)程中沒(méi)有表現(xiàn)出任何明顯的退化，突出了其作為基于氣凝膠纖維光熱響應(yīng)加熱器的潛力（圖4d）。
圖4氣凝膠纖維素的光熱響應(yīng)性能
總結(jié)：作者通過(guò)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠紡絲策略和超臨界CO2干燥技術(shù)，成功制備了具有3D取向多孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電/光響應(yīng)性的柔性高導(dǎo)電MXene氣凝膠纖維。由于Ca2+交聯(lián)和無(wú)損干燥過(guò)程，氣凝膠纖維表現(xiàn)出高比表面積、大孔隙率和纖維柔韌性。該氣凝膠纖維的電導(dǎo)率可以達(dá)到104 S m-1，遠(yuǎn)大于已報(bào)道的其他氣凝膠。此外，該氣凝膠纖維具有優(yōu)異的焦耳熱效應(yīng)和光熱轉(zhuǎn)換能力，這使其在柔性可穿戴設(shè)備、智能驅(qū)動(dòng)、智能織物和便攜式功能設(shè)備中的具有無(wú)限潛力。
