大家好，今天我们来了解一项关于纳米纤维膜的研究——《Diphylleia Grayi-Inspired Intelligent Temperature-Responsive Transparent Nanofiber Membranes》《Nano-Micro Letters》。在现代科技的发展中，透明材料的需求日益增长，传统材料已无法满足某些特殊需求。而纳米纤维膜因其独特的性质成为关注焦点。本文介绍了一种受Diphylleia Grayi启发的智能温度响应透明纳米纤维膜，它的制备方法独特，性能优异，有望在多个领域得到应用。接下来，让我们深入了解这种纳米纤维膜的具体情况。
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一、引言
随着各行业对光学透明材料需求的迅速增长，传统的玻璃和陶瓷因其刚性和缺乏机械韧性，无法满足实际应用中对柔性变形的需求。因此，发展柔性、透明材料成为现代工业的迫切需求，其应用范围广泛，包括透明窗户、柔性显示器、伤口敷料、空气过滤等。然而，目前的柔性透明材料存在机械性能弱、透气性低和成本高等问题，因此开发具有柔性和透气性的透明材料仍是一个巨大挑战。
电纺纳米纤维膜（NFMs）因其独特性质成为透明材料的候选，但由于其孔隙率、厚度、纤维直径和界面折射率等因素，导致光的反射和散射严重，光透射率极低。为解决这一问题，研究人员致力于通过优化电纺技术、开发新材料和改进表面处理来提高NFMs的光传输性能。
二、设计和构建TRT-NFMs
灵感来源：Diphylleiagrayi在自然状态下为白色，在雨天时能从opaque状态转变为透明状态。受此启发，研究人员通过在聚氨酯（PU）纳米纤维表面涂覆相变材料二十烷（eicosane），来模拟Diphylleiagrayi细胞结构，从而操纵光在膜中的传播方向。
制备过程：首先通过电纺方法制备出不透明的PU纳米纤维膜，然后利用电喷雾技术将二十烷均匀涂覆在PU纳米纤维上，得到温度响应透明纳米纤维膜（TRT-NFMs）（图1c）。
性能特点：当温度升至37°C时，二十烷从固体转变为液体，均匀地涂覆在PU纳米纤维表面，使两种材料产生几乎相同的折射率，减少了光在纳米纤维-空气界面的散射，从而使PUTRT纳米纤维迅速从opaque状态转变为透明状态，透射率转换比高达25:1。将TRT纳米纤维膜放置在38°C的烧杯表面，展示出了出色的透明响应和发色色度。
三、形态和机械性能分析
SEM图像分析：与纯PUNFMs相比，添加二十烷后纳米纤维的粘附性大大提高。PU-C20-3中二十烷含量最高，在相变前后仍保持NFMs的原始多孔性。
纯PU纳米纤维的平均直径为340nm，占样品的75％，随着二十烷浓度的增加，纳米纤维的平均直径和分散度增加，PU-C20-3中纳米纤维的平均直径最大，为470nm，这进一步验证了二十烷成功涂覆在PU纳米纤维表面。
对孔隙率和透气性的影响：随着二十烷含量的增加，NFMs的孔径、孔隙率和透气性显著降低。与纯PUNFMs的平均孔径5.5μm相比，电喷雾后的NFMs平均孔径减小了1-1.9μm。
机械性能：纯PUNFMs的拉伸应力为1.33MPa，应变591％，杨氏模量为0.6MPa，韧性为4.8MJm-3。加入二十烷后，NFMs的拉伸应力和应变显著增加，应力增加超过200％，应变增加超过100％，杨氏模量和韧性也显著改善。这是由于二十烷中的长烷基链对含环氧的PU有增韧作用，且二十烷在PU纳米纤维之间的物理交联对应力、应变和模量的协同改善有重要影响。
四、热性能和熔融-结晶行为
热重分析：二十烷在170-320°C之间有一个失重过程，纯PU在约200°C开始失重，在500°C完全失重。二十烷有两个结晶峰（21-33°C）和一个熔融峰（约38°C），加入二十烷后，复合样品的分解温度和速率相对不变，主要是因为二十烷含量低。
DSC分析：加入二十烷后，出现新的熔融结晶峰，表明其对TRT-NFMs的热特性有显著影响，但PU可能会影响二十烷的结晶能力，随着二十烷含量减少，其熔融和结晶焓稳步下降。
FTIR分析：PU-C20-1、PU-C20-2和PU-C20-3的红外光谱中出现了PU和二十烷的特征峰，且峰强度不同，表明二十烷成功引入到PU纳米纤维膜中，两者有较强的界面相互作用。
XRD分析：二十烷在19.56°、19.91°、23.25°、24.84°和25.55°处有五个衍射峰，分别对应其β晶体的（010）、（011）、（105）、（-101）和（110）晶面，在10.58°、13.91°、39.81°和44.56°处的衍射峰对应α晶体的（003）、（004）、（0-22）和（207）晶面。PU-C20-1、PU-C20-2和PU-C20-3中含有二十烷的衍射峰，且二十烷的特征峰不受影响，但加入不同量的二十烷会导致结晶度逐渐降低，可能影响NFMs的透射率。
POM分析：二十烷晶体在加热到37°C时快速熔化，在冷却到36°C时迅速结晶，局部快速结晶导致在拉伸应力下产生晶间裂纹，裂纹随温度降低而扩展并相互碰撞。二十烷结晶行为对温度高度敏感，半结晶聚合物中的晶粒可能会阻碍光通过，而无定形聚合物能提供无损光传输，表现出优异的透射率。从微观图像可以看出，随着温度升高，二十烷相变导致的结晶变化会使大量光传输，从而实现高透射率。
五、光学性能
动态行为：所有样品在30°C时透射率最低、雾度最高、吸光度最高，随着温度从30°C升高到50°C，光透射率增加，转换率达到25:1，雾度和吸光度降低。在约38°C时，所有三个样品的透射率峰值和雾度、吸光度的最低值出现且数据稳定。
样品性能比较：PU-C20-3的透射率最高（约90.9％）、吸光度最低（0.05％）、雾度最低（约40.6％），随着相变材料含量的减少，最大透射率从90.9％降低到56.9％，最大吸光度和雾度从0.33％和93.4％增加到0.48％和98.7％。
响应速度和雾度原因：所有样品在5s内显示出快速响应，以实现所需的透射率转换。样品的高雾度主要是由于NFMs表面纤维交织形成的凹凸多孔结构导致入射光发生偏转。
光传输机制：大量光无法穿透NFMs是由于纳米纤维与周围环境界面处的反射和折射，以及高孔隙率导致的大量空气-纤维界面，界面处折射率差异使光强烈反射或折射，导致NFMs不透明。电喷雾二十烷后，液态二十烷的折射率与PU纳米纤维相似，光反射/折射率大大降低，NFMs在加热后表现出良好的光传输。
六、结论
通过电纺和电喷雾技术成功开发出具有快速有效透明转变能力的柔性NFMs，电纺技术可创建具有优异机械性能和均匀直径的NFMs，通过电喷雾添加不同的相变材料可使温度升高（>37°C）时透射率发生变化，这是对现有只能创建白色NFMs的电纺技术的重大改进。此外，制备的TRT-NFMs对温度变化响应迅速，响应间隔短，稳定性好。该研究为探索先进的响应和功能材料提供了基础，可应用于下一代正面温度贴纸、防伪贴纸、蔬菜温室和调光窗户等领域。
七、一起来做做题吧
1、下列哪种材料在制备TRT-NFMs时被用作基材（）
A.聚氨酯（PU）
B.二十烷
C.纤维素
D.玻璃
2、电纺NFMs光透射率低的主要原因是（）
A.纤维直径过大
B.孔隙率过高
C.纳米纤维-空气界面的不利光折射和反射
D.材料不透明
3、在制备电喷雾NFMs时，为确保电喷雾过程顺利进行，需要控制的环境因素是（）
A.湿度
B.温度
C.气压
D.光照
4、关于PU-C20-3样品，下列说法错误的是（）
A.二十烷含量最高
B.孔隙率最低
C.透气性最好
D.机械性能优异
5、二十烷在37°C时发生的相变是（）
A.从固体变为气体
B.从液体变为固体
C.从固体变为液体
D.从液体变为气体
6、TRT-NFMs的光透射率转换比最高可达（）
A.15:1
B.20:1
C.25:1
D.30:1
7、下列哪种技术用于观察二十烷相在循环加热-冷却过程中的晶体尺寸（）
A.场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）
B.偏光显微镜（POM）
C.毛细管流孔仪
D.动态力学分析
8、以下哪种材料的特征峰在PU-C20-1、PU-C20-2和PU-C20-3的红外光谱中出现（）
A.仅PU的特征峰
B.仅二十烷的特征峰
C.PU和二十烷的特征峰
D.没有特征峰
9、影响TRT-NFMs热特性的主要因素是（）
A.聚氨酯（PU）
B.二十烷
C.PU和二十烷的混合物
D.电纺和电喷雾技术
10、TRT-NFMs在以下哪个温度下表现出最高的透射率（）
A.30°C
B.37°C
C.38°C
D.50°C
参考文献：
Zhao C, et al. Diphylleia Grayi-Inspired Intelligent Temperature-Responsive Transparent Nanofiber Membranes. Nanomicro Lett. 2024 Jan 4;16(1):65.
