天津大学：MXene复合纳米纤维素液晶智能变色材料

文摘 2025-01-13 19:13 山西

自然界中，许多生物能够通过改变自身颜色来适应环境，如变色龙调节皮肤光子晶体晶格间距实现伪装。受此启发，科研人员致力于开发智能变色材料。然而，当前的智能变色材料存在初始颜色不可调、颜色饱和度低、变色响应速度慢、灵敏度低和颜色变化范围窄等缺陷。与此同时，纤维素作为地球上储量丰富的可持续生物质材料，其纳米手性液晶材料在一定条件下可自组装产生结构色。MXene 二维纳米材料具有大比表面积、优异强度、良好导电性和高光热转化效率。将二者复合制备智能变色材料具有极大潜力，但此前相关复合材料未见报道。

近日，天津大学的王玲、李想、张璇、马绍帅、刘源等科研人员公布了一项专利 ——一种MXene复合纳米纤维素液晶智能变色材料及其制备方法及应用，其专利申请号为 202310794552.3 ，申请公布号为 CN 119220242 A。

该专利成功制备出的 MXene 复合纳米纤维素液晶智能变色材料，有效解决了现有智能变色材料存在的诸多问题。此材料的初始颜色、颜色饱和度、变色响应速度、变色响应灵敏度和颜色变化范围均可通过改变 MXene 二维纳米片和纳米纤维素液晶组分的比例进行调节。并且，它能对环境温度、电场、磁场、光照和外界应力等多种刺激产生颜色变化响应。

该智能变色材料在 3D 打印、生物医用、人机交互、智能机器人等领域展现出广阔的应用前景。它可用于制备拉伸变色纤维、3D 打印特定构件，且在不同温度（-100℃ - 300℃）、电场（0.1V/m - 200kV/m）、磁场（0.2mG - 20G）、光照（全光谱白光或 800 - 1200nm 波段光，光强 20mW/cm² - 1W/cm²）和外界应力（0.01Pa - 10MPa）条件下均可实现颜色变化。这一成果不仅丰富了智能材料的种类，更为相关领域的发展提供了新的材料选择和技术支撑。

工艺步骤

纳米纤维素液晶制备：原料选取棉花、木浆粕、竹子浆粕等天然纤维素或其衍生物，如微晶纤维素、α - 纤维素。以实施例 1 为例，将来源于微晶纤维素的羟丙基纤维素与去离子水按特定比例加入混合罐，经行星式离心混合器不同转速搅拌、离心，获得纳米纤维素液晶。制备方法包括物理去除无定形区保留结晶区域，或碱处理后与醚化试剂（如环氧丙烷）反应。

MXene 二维纳米片分散液制备：制备不同类型 MXene 二维纳米片。在盐酸溶液中加入 LiF 和，静置反应后多次离心、冷冻干燥得到 MXene 纳米片，再将其分散于水、二甲基亚砜等溶剂中超声处理，获得分散液。

材料复合：将纳米纤维素液晶与 MXene 二维纳米片分散液按一定质量比混合，如实施例 1 中，二者经行星式离心混合器搅拌，得到 MXene 复合纳米纤维素液晶智能变色材料。

性能特性

颜色可调性：通过改变 MXene 二维纳米片和纳米纤维素液晶组分比例，材料初始颜色可在可见光光谱波长范围内任意调节，也可为透明或黑色，颜色饱和度高。如实施例中，随着复合材料中 MXene 或纳米纤维素液晶质量分数变化，颜色呈现多种变化。

刺激响应性：对多种刺激有响应。温度方面，在 - 100℃ - 300℃范围内，材料颜色随温度变化，反射光谱峰值红移或蓝移。应力作用下，随着压应力增大，颜色改变，反射波长蓝移。在电场（0.1V/m - 200kV/m）、磁场（0.2mG - 20G）变化以及特定光照（全光谱白光或 800 - 1200nm 波段光，光强 20mW/cm² - 1W/cm²）下，材料均会变色。

应用优势：形状灵活可调、易于加工，可制备拉伸变色纤维、3D 打印构件。贮存方便，能长期贮存、灵活取用，适用于 3D 打印、生物医用、人机交互、智能机器人等领域。

机制阐述

自组装与结构色产生机制：纳米纤维素液晶能够在一定条件下自组装产生胆甾相液晶结构，这种结构具有周期性亚微米结构，是产生结构色的基础。以专利实施例中羟丙基纤维素纳米液晶为例，其在溶剂中通过特定的混合与离心处理后，呈现出层层自组装的微观结构。光与这种周期性结构相互作用，产生结构色。并且，随着羟丙基纤维素在水溶液中质量分数的变化，其反射光谱发生改变，反射波长蓝移，材料颜色也相应变化，这表明纳米纤维素液晶自组装结构的参数改变会导致结构色的变化。

MXene 纳米片的作用机制

增强颜色饱和度：MXene 二维纳米片作为宽带吸收剂和黑色基底，显著提高纳米纤维素液晶颜色的饱和度。其大比表面积和特殊结构，能够有效吸收和散射光线，减少背景光干扰，使纳米纤维素液晶的结构色更加鲜艳。

赋予多种性能：MXene 纳米片的二维纳米片状形貌、高光热转化效率和高导电性，赋予了材料多种性能。高光热转化效率使其在光照下能快速吸收光能并转化为热能，从而影响材料的温度，导致纳米纤维素液晶自组装结构变化，引起颜色改变。高导电性使得材料对电场变化敏感，在电场作用下，离子或电荷的迁移会影响纳米纤维素液晶与 MXene 纳米片的相互作用，进而改变材料颜色。

刺激响应变色机制

温度响应：温度变化会影响纳米纤维素液晶的分子热运动和自组装结构。温度升高时，分子热运动加剧，自组装结构的晶格间距可能发生变化，导致反射光谱峰值红移，材料颜色改变。MXene 纳米片的高光热转化效率加速了温度对材料的影响过程，使材料对温度变化的响应更加灵敏。

电场、磁场响应：电场和磁场的变化会干扰材料内部的电荷分布和分子取向。由于 MXene 纳米片的高导电性，电场作用下会产生电荷迁移，影响纳米纤维素液晶的排列。在磁场作用下，材料中的磁性离子或具有磁性的部分可能会发生取向变化，进而改变纳米纤维素液晶的自组装结构，最终导致颜色变化。

光照响应：特定波长的光照射时，MXene 纳米片的高光热转化效率使其吸收光能并转化为热能，引起材料局部温度变化，导致纳米纤维素液晶自组装结构改变，实现颜色变化。不同强度和时间的光照会使材料吸收不同的能量，从而呈现出不同程度的颜色改变。

应力响应：外界施加应力时，会改变纳米纤维素液晶的排列和取向，破坏原有的自组装结构，进而改变材料对光的反射和散射特性，导致颜色变化。MXene 纳米片的存在增强了材料的力学性能，同时也可能在应力作用下与纳米纤维素液晶协同变形，共同影响材料的颜色。

-作者介绍-

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