哈工程范壮军、魏彤/东北林大陈文帅Matter：生物质纳米纤维素结构色薄膜，实现可视化的气体浓度检测

近日，哈尔滨工程大学魏彤教授和范壮军教授联合东北林业大学的陈文帅教授共同为通讯作者在Matter期刊发表了题为“Transparent and flexible structurally colored biological nanofiber films for visual gas detection”的研究论文。 博士研究生史梦姣为第一作者。Matter是国际知名出版机构Cell Press出版社旗下材料类的顶级学术期刊（2021年影响因子：15.589），在材料科学领域具有重要影响力。

结构色普遍存在于自然界中，诸如肥皂泡、鸟类的羽毛、蝴蝶和昆虫的翅膀。具有结构色的薄膜化学性质稳定，且可以通过改变薄膜的组分、结构和所处的环境等因素对结构色进行调控，而被广泛应用于传感、涂层、防伪和电子产品等领域。然而，由于在制备结构色薄膜的过程中往往需要精准地调控其微观结构，通常过程复杂且耗时；或者将薄膜均匀沉积在诸如硅基板的一些不透明或不柔韧的基底上，导致薄膜牺牲一些诸如透明和柔韧的特性。因此，找到一种简易且快速的加工方法，构筑兼具环境刺激颜色响应的功能特性和优异机械性能的结构色薄膜，是目前学界研究的主要关注点之一。

因此，团队开发了一种基于生物质纳米纤维素的结构色薄膜（NCF）。该薄膜集合了结构色、透明、柔韧、可折叠和刺激响应等特性于一身，通过简单的抽滤方法，整个制备过程在一小时内完成，实现了结构色薄膜的简单且快速制备。NCF的厚度在700 nm以内，呈现出基于薄膜干涉原理的彩虹色，能在各种潮湿气体或液体的刺激下，做出快速且明显的可逆颜色响应。基于这种颜色响应，由于气体本身的性质不同且气体与NCF的结合能之间存在差异，因此，在相同的实验条件下，不同气体在NCF上表现出不同的挥发速率，从而使NCF在接受不同的气体刺激时，表现出的颜色恢复时间也不尽相同。本工作利用这种差异，通过记录薄膜的颜色恢复时间，实现可视化的气体浓度的检测。

图 1：NCF的显色机理和结构表征。A，NCF基于薄膜干涉的显色原理；NCF-6的照片B，扫描电镜照片C-D，AFM照片E和相应的高度分布图F和表面3D形貌图G

所制备的NCF表面致密且平整，具有透明的特性。

图2：NCF的彩虹色。NCFs的照片A，实验和模拟反射光谱B和透射光谱C，从图B得到的CIE色度图D；E，不同角度观察下的NCF-6照片

NCFs具有明亮的结构色，可以通过调节厚度进行颜色调控，且其颜色随着观察者角度的变化而变化。

图3：NCF的柔韧和可折叠特性。A-B，NCF-8的弯曲和恢复照片；C，不同形状的NCFs照片；D-I，NCF-8折叠和恢复照片；J，折叠过程的有限元分析；K-J，NCF折痕处电镜照片

由于NCFs为具有高长径比的纳米纤维素致密堆叠而成，NCFs具有优异的柔韧和可折叠特性，并能被裁剪为各种形状，满足不同场景的需要。

图4：NCF对外界气体刺激的颜色响应特性。A，NCF对潮湿气体的响应示意图；B，刺激响应过程中NCF厚度变化示意图；C，模拟NCF厚度变化对颜色的影响；D，NCF颜色恢复时间同气体与NCF结合能和气体的蒸发速率关系图；E，NCF-6在不同乙醇浓度下颜色变化图；F，NCF-6在不同气体浓度下的颜色恢复时间同浓度的关系图及相应的拟合曲线

由于薄膜干涉的特性，所制备NCFs在外界刺激下，厚度发生改变，从而产生颜色上的变化。利用此特性，对不同体积浓度的乙醇进行测试，在相同刺激条件下，记录颜色恢复时间同浓度的关系。

图5：可视化气体浓度检测。A，利用NCFs可视化检测气体浓度的步骤示意图；B，NCF通过检测实验者呼出气体来判断其是否喝酒

通过检测已知浓度的气体来建立数据库、拟合数据结果得到浓度与颜色恢复时间的方程，在对结果方程进行校准后就可以实现可视化的气体浓度检测。

文章信息：

Mengjiao Shi, Lulu Bai, Dehui Wan, Jin Chang, Qing Li, Haipeng Yu, Shouxin Liu, Tong Wei*, Wenshuai Chen*, Zhuangjun Fan*. Transparent and Flexible Structurally Colored Biological Nanofiber Films for Visual Gas Detection. Matter, 2022, DOI: 10.1016/j.matt.2022.05.043.

来源：碳能源材料实验室

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