基于無機半導體紗線的電致變色人工肌肉

受棉線紡紗工藝的啟發，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，開發了無機半導體納米晶體材料的連續化取向、組裝和加捻新方法，實現了無機半導體紗線的連續化制備。研究人員同時提出以高長徑比的納米帶為結構單元，強化基元相互作用力，提升了半導體紗線的強度。此外，基于雙電層吸/脫附和離子晶格脫嵌耦合機制，構筑了基于無機半導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化無機半導體聚集體可稱為無機半導體紗線。其制備包括：無機納米基于在水-CHCl3-空氣三相界面處自發地取向、組裝和加捻。取向：納米結構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部的應力集中現象。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，由于咖啡環效應的毛細力作用，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。

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

通過與碳納米管紗線復合，螺旋紗線可實現在離子液體中的協同電致變色與致動。根據雙電層離子吸附的致動原理和法拉第氧化還原反應的變色原理，芯層的碳納米管紗線在通電狀態下吸附離子，造成紗線徑向的膨脹與軸向的收縮；同時，皮層半導體紗線在電壓驅動下會發生法拉第氧化還原反應，離子嵌入/脫出導致晶格變化。該復合紗線可產生高達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體紗線在人工肌肉、偽裝織物等領域均具有應用潛力。

（摘編自先進功能材料課題組）