《ACS Nano》基于纖維素納米纖維的太赫茲雙折射的導電仿生氣凝膠
2021年5月6日 14:50瀏覽：2133
最近，
瑞士
Elena Mavrona
和
Gustav Nystr?m
教授團隊
在《
ACS
Nano
》上發表了題為
Terahertz Birefringent Biomimetic Aerogels Based on Cellulose Nanofibers and Conductive Nanomaterial
s
的論文。仿生，層狀和高度多孔的過渡金屬碳化物（
MXene）嵌入的纖維素納米纖維（CNF）氣凝膠通過便捷的雙向冷凍干燥方法組裝而成。生物聚合物氣凝膠具有大規模，平行定向的微米級孔隙，并具有出色的機械強度和柔韌性，可調節的電性能以及低密度（2.7–20 mg/cm
3
）。有效利用CNF，MXene和層狀孔，使氣凝膠在太赫茲（THz）范圍內具有異常高的雙折射性。
在0.4 THz時，雙折射值高達0.09-0.27，可與大多數商業THz雙折射材料（如液晶）相比較，后者易崩解，成本高且制備過程復雜。
不同MXene含量的經驗模
型以及與銀納米線或碳納米管嵌入的
CNF氣凝膠的實驗比較表明，嵌入的納米材料的固有電導率和含量，氣凝膠孔隙率和層狀細胞壁會影響光學性質，例如太赫茲雙折射和吸收。
生物聚合物氣凝膠中光學各向異性的確定為進一步探索超輕，獨立和低成本仿生多孔結構基于THz器件奠定了基礎。
圖
1.
（a）由可再生生物質制備CNF的示意圖，以及（b）CNF的TEM圖像。（c）TEM（插圖顯示MXene水分散體）和（d）制備的MXene層的AFM圖像，在橫截面位置具有相應的高度輪廓插圖。（e）混合的CNF/MXene前驅體分散體和相應的凍干層狀多孔支架的冷凍過程，該層狀多孔支架具有大規模排列的層狀孔/細胞壁。（f）密度為20 mg/cm
3
的層狀多孔MXene/CNF氣凝膠和（g）相應的MXene嵌入的CNF雜化細胞壁（e，底部）的SEM圖
像。
（h）基于CNF的氣凝膠的XRD圖譜，（i）MXene/CNF含10 wt％MXene的氣凝膠在平行于且垂直于層狀細胞壁的方向上的典型壓縮曲線，以及（j）MXene中各種MXene含量的電導率/CNF氣凝膠和相應的MXene/CNF固體薄膜。
圖
2.
（a）用于提取光學特性的THz-TDS設置的示意圖。（b）參考和樣品的太赫茲電場。（c）使用傅里葉變換提取的參考和樣品的太赫茲光譜。（d）相對于細胞壁的兩個主要THz極化（電場）方向的示意圖φ= 0°和φ= 90°。（e）太赫茲電場與單向層狀細胞壁之間不同角度φ的傳輸的內插數據（實驗步長Δ
φ
= 10°）。
圖
3.
密度為20 mg/cm
3
的MXene/CNF混合氣凝膠中各種MXene含量的THz參數的實驗數據和理論模型。（a）折射率n的實部，（b）折射率κ的虛部，（c）雙折射Δn，（d）吸收α，（e）對于兩個THz場方向（φ）的介電函數的實部 ，（f）兩個角度（φ）的介電函數的虛部，（g）在0.4 THz處的角度φ= 0°的模擬介電函數（實部和虛部），（h）模擬介電函數（實部和虛部） 在0.4 THz時φ= 90°。在（a）-（f）中，灰色虛線對應于計算出的參數，由于樣品的高吸收率導致數據分析問題，
因此在物理上被認為是可疑的。
在（g）和（h）中，MXene體積含量的誤差線來自具有固定MXene質量比的撓性氣凝膠的厚度的測量不確定性。
圖
4.
（a）具有各種密度的10 wt％MXene/CNF氣凝膠的電導率，以及（b）密度為20（左）和2.7（右）mg/cm
3
的基于CNF的層狀多孔支架的相應SEM圖像
。
（c）具有各種密度的10 wt％MXene/CNF氣凝膠的THz吸收和（d）THz雙折射值。（e）來自相應氣凝膠的壓縮MXene/CNF膜的SEM圖像（約20 mg/cm
3
）（插圖顯示了壓縮膜的照片）。（f）在太赫茲
磁場方向φ
= 0°和90°壓縮之前和之后，典型的MXene/CNF混合氣凝膠（
?
20 mg/cm
3
）的傳輸。
圖
5.
（a）密度為20 mg/cm
3
的CNT/CNF層狀多孔氣凝膠（左）和密度為6 mg/cm
3
的AgNW/CNF層狀氣凝膠（右）的光學圖像。（b）AgNW和（c）嵌入CNT的CNF氣凝膠的細胞壁的SEM圖像。（d）AgNW/CNF氣凝膠和（e）CNT/CNF氣凝膠以及相應的固體薄膜的電導率。相應的（f）AgNW/CNF和（h）CNT/CNF混合氣凝膠在THz場方向φ= 0°和90°時的THz吸收。（g）AgNW/CNF和（i）CNT/CNF混合氣凝膠的THz
雙折射值。
（f）–（i）中的虛線灰色線代表計算得出的參數，由于樣品的高吸收率導致數據分析問題，因此在物理上被認為是可疑的。
參考文獻
：
doi.org/10.1021/acsnano.1c00856
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