基于無機半導(dǎo)體紗線的電致變色人工肌肉

受棉線紡紗工藝的啟發(fā)，東華大學材料科學與工程學院先進功能材料課題組（AFMG）的研究人員借助多相界面作用力，模仿棉線紡紗的梳棉、壓實和加捻工藝，開發(fā)了無機半導(dǎo)體納米晶體材料的連續(xù)化取向、組裝和加捻新方法，實現(xiàn)了無機半導(dǎo)體紗線的連續(xù)化制備。研究人員同時提出以高長徑比的納米帶為結(jié)構(gòu)單元，強化基元相互作用力，提升了半導(dǎo)體紗線的強度。此外，基于雙電層吸/脫附和離子晶格脫嵌耦合機制，構(gòu)筑了基于無機半導(dǎo)體紗線的電致變色人工肌肉。

借鑒棉線的工藝與命名，多束有序排列的一維基元組成的連續(xù)化無機半導(dǎo)體聚集體可稱為無機半導(dǎo)體紗線。其制備包括：無機納米基于在水-CHCl3-空氣三相界面處自發(fā)地取向、組裝和加捻。取向：納米結(jié)構(gòu)的有序排列是制備紗線的必要條件，可以有效減少組裝體內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。組裝：納米帶由于其高長徑比等因素，會在三相界面處形成松散的聚集體。當分散液滴入三相界面處時，由于咖啡環(huán)效應(yīng)的毛細力作用，納米帶單元會被推動到三相線，形成機械強度較弱的多孔組裝體。加捻：由于不同溶劑之間的表面張力不同，水-CHCl3-空氣界面處會發(fā)生馬朗戈尼流動，使納米組裝體在界面處不停地翻滾并加捻，縮短了納米基元間距，消除了多余孔道，從而增強宏觀紗線的力學性能。

無機半導(dǎo)體紗線由單一組分長徑比大于104的V2O5納米帶構(gòu)成。經(jīng)過三相界面組裝后，紗線內(nèi)部具有大小不同的孔洞，經(jīng)過流體加捻后形成致密的納米紗線。與棉線結(jié)構(gòu)相似，無機半導(dǎo)體紗線的微觀結(jié)構(gòu)單元也呈現(xiàn)高度有序的平行排列。基于優(yōu)異的柔性與力學強度，其可加捻得到多種螺旋結(jié)構(gòu)紗線。當結(jié)構(gòu)單元組分均為無機材料時，螺旋紗線在極低溫下仍具有優(yōu)異的可拉伸性能（螺旋紗線室溫與液氮中的彈性應(yīng)變分別為26.78%和26.28%）。

通過與碳納米管紗線復(fù)合，螺旋紗線可實現(xiàn)在離子液體中的協(xié)同電致變色與致動。根據(jù)雙電層離子吸附的致動原理和法拉第氧化還原反應(yīng)的變色原理，芯層的碳納米管紗線在通電狀態(tài)下吸附離子，造成紗線徑向的膨脹與軸向的收縮；同時，皮層半導(dǎo)體紗線在電壓驅(qū)動下會發(fā)生法拉第氧化還原反應(yīng)，離子嵌入/脫出導(dǎo)致晶格變化。該復(fù)合紗線可產(chǎn)生高達15.3%的致動行程和0.82 J/g的單位能量輸出，同時實現(xiàn)紗線顏色在綠色與黃色之間可控變化。研究人員認為該無機半導(dǎo)體紗線在人工肌肉、偽裝織物等領(lǐng)域均具有應(yīng)用潛力。

（摘編自先進功能材料課題組）