基于无机半导体纱线的电致变色人工肌肉

受棉线纺纱工艺的启发，东华大学材料科学与工程学院先进功能材料课题组（AFMG）的研究人员借助多相界面作用力，模仿棉线纺纱的梳棉、压实和加捻工艺，开发了无机半导体纳米晶体材料的连续化取向、组装和加捻新方法，实现了无机半导体纱线的连续化制备。研究人员同时提出以高长径比的纳米带为结构单元，强化基元相互作用力，提升了半导体纱线的强度。此外，基于双电层吸/脱附和离子晶格脱嵌耦合机制，构筑了基于无机半导体纱线的电致变色人工肌肉。

借鉴棉线的工艺与命名，多束有序排列的一维基元组成的连续化无机半导体聚集体可称为无机半导体纱线。其制备包括：无机纳米基于在水-CHCl3-空气三相界面处自发地取向、组装和加捻。取向：纳米结构的有序排列是制备纱线的必要条件，可以有效减少组装体内部的应力集中现象。组装：纳米带由于其高长径比等因素，会在三相界面处形成松散的聚集体。当分散液滴入三相界面处时，由于咖啡环效应的毛细力作用，纳米带单元会被推动到三相线，形成机械强度较弱的多孔组装体。加捻：由于不同溶剂之间的表面张力不同，水-CHCl3-空气界面处会发生马朗戈尼流动，使纳米组装体在界面处不停地翻滚并加捻，缩短了纳米基元间距，消除了多余孔道，从而增强宏观纱线的力学性能。

无机半导体纱线由单一组分长径比大于104的V2O5纳米带构成。经过三相界面组装后，纱线内部具有大小不同的孔洞，经过流体加捻后形成致密的纳米纱线。与棉线结构相似，无机半导体纱线的微观结构单元也呈现高度有序的平行排列。基于优异的柔性与力学强度，其可加捻得到多种螺旋结构纱线。当结构单元组分均为无机材料时，螺旋纱线在极低温下仍具有优异的可拉伸性能（螺旋纱线室温与液氮中的弹性应变分别为26.78%和26.28%）。

通过与碳纳米管纱线复合，螺旋纱线可实现在离子液体中的协同电致变色与致动。根据双电层离子吸附的致动原理和法拉第氧化还原反应的变色原理，芯层的碳纳米管纱线在通电状态下吸附离子，造成纱线径向的膨胀与轴向的收缩；同时，皮层半导体纱线在电压驱动下会发生法拉第氧化还原反应，离子嵌入/脱出导致晶格变化。该复合纱线可产生高达15.3%的致动行程和0.82 J/g的单位能量输出，同时实现纱线颜色在绿色与黄色之间可控变化。研究人员认为该无机半导体纱线在人工肌肉、伪装织物等领域均具有应用潜力。

（摘编自先进功能材料课题组）