成果簡介
碳納米纖維膜（CNFM）材料通常為黑色和不透明，其較差的光學性能嚴重限制了其在電子皮膚、可穿戴設備和環境技術等新興領域的應用。然而，碳納米纖維膜由於其複雜的纖維結構和高光吸收，很難實現高透光率。很少有研究人員研究透明碳納米纖維膜（TCNFM）材料。本文，東華大學王先鋒研究員、俞建勇院士團隊在《ACS Nano》期刊發表名為「Highly Transparent Carbon Nanofibrous Membranes Inspired by Dragonfly Wings」的論文，研究使用靜電紡絲技術和自行設計的圖案基板製造了一種受蜻蜓翅膀啟發的仿生TCNFM，旨在構建差分電場。與無序的CNFM相比，由此產生的TCNFM產生的透光率提高了約18倍。獨立式TCNFM還表現出高孔隙率（>90%）、良好的柔韌性和良好的機械性能。還闡明了TCNFM實現高透明度和減少光吸收的機制。此外，TCNFM 顯示高 PM0.3去除效率（>90%），低空氣阻力（<100 Pa）和良好的導電性能，包括低電阻率（<0.37 Ω·cm）。
圖文導讀
圖1.（a） 一組展示天然蜻蜓及其透明翅膀的光學照片。（b） 蜻蜓翅膀結構的簡單等效模型和光透射圖。（c） TCNFM製備示意圖。TCNFM的FE-SEM圖像：（d）拓撲結構，（e）晶胞，（f）靜脈狀結構，（g）翼膜狀結構，其中（f）和（g）顯示高度取向的納米纖維。（h） 碳納米纖維和內部納米結構的TEM圖像。（i） TCNFM的光學圖像顯示出良好的光傳輸性能和宏觀表面形態。（j） TCNFM的各種應用：透明空氣過濾器、透明柔性電子設備等。
圖2:（a） 照片顯示了光通過不同介質傳播產生的模式：分別是空氣、CNFM和TCNFM。（b） TCNFM和CNFM的透射率曲線和（c）吸光度曲線。（d） TCNFM在不同碳化溫度下的透射率曲線：分別為600、800和1000°C。（e） 四種透射率分別為46%、40%、34%和20%的TCNFM的總透射率曲線、（f）孔隙率和（g–j）數字圖像。
圖3. (a) 顯示碳材料吸收光的機制的示意圖。示意圖顯示了光通過（b）無序CNFM和（c）TCNFM的傳播機制。
圖4. (a) 具有橡膠特性的獨立的TCNFM的光學圖像；它可以被彎曲、摺疊和纏繞。(b) TCNFM的拉伸強度；對照樣品是無序的CNFM。(c) 在600、800和1000℃下碳化的TCNFM的拉伸性能。(d) 從(c)中的不同碳化溫度得出的TCNFMs的拉曼光譜。(e) TCNFM的屈曲性能測試（ε=80%）；插圖：屈曲測試過程顯示。(f) TCNFM的屈曲循環性能測試（ε=70%）。(g-j) 連續拉伸過程中TCNFM的單元格的SEM圖像。(k) 連續拉伸下TCNFM的演變示意圖。
圖5：（a）不同氣流速度下不同透光率的TCNFM空氣過濾器的PM0.3去除率和（b）壓降。(c) TCNFM空氣過濾器在10次過濾之前和之後的透光率。(d) 透射率為46、40、34和20%的TCNFM的電阻率和(e)片狀電阻；插圖：用於照亮發光二極體的TCNFM的照片。(f) TCNFMs在200次彎曲循環下的導電穩定性測試；插圖：彎曲顯示。
小結
總之，我們利用基於自主設計的差分電場的靜電紡絲技術，成功製造了受蜻蜓翅膀啟發的脈翼膜狀結構的TCNFM。在相同條件下，這種仿生結構的透射增強效果比無序CNFM提高了≈18倍。所製備的仿生TCNFMs表現出較高的孔隙率（>90%）和良好的光學透過率（高達46%）。闡明了碳材料吸收光能的機理，並介紹了TCNFMs減少光吸收損耗並獲得高透光率的機理。此外，獨立式TCNFMs表現出優異的柔韌性和良好的拉伸強度和屈曲力學性能。還利用電子顯微鏡原位觀察了單元結構的拉伸過程。此外，TCNFM顯示高PMs。0.3去除性能高（>90%）和低壓降（<100 Pa），以及低電阻率（<0.37 Ω·cm）的良好導電性能。因此，本工作可為TCNFM材料的開發提供有價值的見解。
文獻：
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02667