随着航空航天和军事工业的快速发展，碳纤维作为一种战略性新材料的重要性也日益凸显。目前碳纤维着色的方法主要是在其表面物理组装胶体微球或化学沉积周期性纳米层产生明亮的结构色，然而，由于得到的光子纳米结构是均匀共形的，导致其很难在全光谱范围内呈现出两种以上甚至连续的颜色变化。与此同时，由于其固有的电热性能，碳纤维材料为下一代热管理器件的发展提供了巨大的潜力。特别是在物联网(IoT)时代，无线技术的集成变得越来越重要，因为它可以大大减轻使用电线的成本和缓解固有的空间限制。 有鉴于此，大连理工大学牛文斌教授利用磁控溅射的高方向性在碳纤维材料的曲面上引入一层具有周期性梯度的Janus光子纳米结构，从而制备了一系列具有亮丽结构色和优良机械性能的光子Janus碳纤维。并进一步将其与无线传感系统集成，成功开发设计了一种温度可远程精确控制的可穿戴热管理器件，展示了其在个人热管理领域的实际应用 (图1)。相关成果以标题为“Photonic Janus Carbon Fibers with Structural Color Gradient for Multicolored, Wirelessly Wearable Thermal Management Devices”发表在Advanced Materials Technologies上。大连理工大学牛文斌教授为论文的通讯作者，化工学院博士研究生赵凯和硕士研究生程洁为论文共同第一作者。 首先，为了在碳纤维上设计得到具有周期性梯度Janus结构的光子纳米层，采用磁控溅射技术分别向碳纤维表面交替溅射氧化铝和氧化钛，二者分别作为构筑一维光子晶体的基本单元。利用磁控溅射的高方向性和碳纤维的曲面结构，得到的光子纳米结构的厚度从顶部沿纤维的弯曲表面逐渐减小 (图2)。这种独特的Janus光子纳米结构能够使碳纤维在可见光范围内显示出连续的颜色变化，这是在以前报道的光子Janus材料中难以实现的 (图3)。由于碳材料固有的电热性能，得到的光子Janus碳纤维同样具有优异的焦耳加热特性，能够在低电压驱动下实现快速升温。最后，为了拓展其在个人热管理领域的应用，我们将进一步将Janus碳织物与无线传感系统集成 (图4)。在实际应用中将Janus碳织物直接贴在人体皮肤上，通过智能手机可以远程精确控制其的温度。具体原理是Janus碳织物的温度控制是通过在单片机控制芯片中输入特定的程序来实现的，输入信号的温度值与目标温度相关联，这个温度值可以通过智能手机的蓝牙无线发送到控制芯片中，根据焦耳定律产生相应的温度。当温度超过程序设定的温度上线时，控制系统将会断开加热电压。与其他传统电加热器相比，该热管理器件具有颜色丰富、低电压驱动、体积小和高效能等优点，为基于碳织物的无线操控的多彩可穿戴热管理器件的实现开辟了道路。
图1 光子Janus碳纤维的制备过程与热管理应用示意图
图2 光子Janus碳纤维的形貌和结构表征
图3 光子Janus碳纤维的光学性质
图4 光子Janus碳织物在无线可穿戴热管理领域中的应用化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chen@chemshow.cn
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