ACSNano基于纤维素纳米纤维的太

最近,瑞士ElenaMavrona和GustavNystrm教授团队在《ACSNano》上发表了题为TerahertzBirefringentBiomimeticAerogelsBasedonCelluloseNanofibersandConductiveNanomaterials的论文。仿生,层状和高度多孔的过渡金属碳化物(MXene)嵌入的纤维素纳米纤维(CNF)气凝胶通过便捷的双向冷冻干燥方法组装而成。生物聚合物气凝胶具有大规模,平行定向的微米级孔隙,并具有出色的机械强度和柔韧性,可调节的电性能以及低密度(2.7–20mg/cm3)。有效利用CNF,MXene和层状孔,使气凝胶在太赫兹(THz)范围内具有异常高的双折射性。

在0.4THz时,双折射值高达0.09-0.27,可与大多数商业THz双折射材料(如液晶)相比较,后者易崩解,成本高且制备过程复杂。不同MXene含量的经验模型以及与银纳米线或碳纳米管嵌入的CNF气凝胶的实验比较表明,嵌入的纳米材料的固有电导率和含量,气凝胶孔隙率和层状细胞壁会影响光学性质,例如太赫兹双折射和吸收。生物聚合物气凝胶中光学各向异性的确定为进一步探索超轻,独立和低成本仿生多孔结构基于THz器件奠定了基础。

图1.(a)由可再生生物质制备CNF的示意图,以及(b)CNF的TEM图像。(c)TEM(插图显示MXene水分散体)和(d)制备的MXene层的AFM图像,在横截面位置具有相应的高度轮廓插图。(e)混合的CNF/MXene前驱体分散体和相应的冻干层状多孔支架的冷冻过程,该层状多孔支架具有大规模排列的层状孔/细胞壁。(f)密度为20mg/cm3的层状多孔MXene/CNF气凝胶和(g)相应的MXene嵌入的CNF杂化细胞壁(e,底部)的SEM图像。(h)基于CNF的气凝胶的XRD图谱,(i)MXene/CNF含10wt%MXene的气凝胶在平行于且垂直于层状细胞壁的方向上的典型压缩曲线,以及(j)MXene中各种MXene含量的电导率/CNF气凝胶和相应的MXene/CNF固体薄膜。

图2.(a)用于提取光学特性的THz-TDS设置的示意图。(b)参考和样品的太赫兹电场。(c)使用傅里叶变换提取的参考和样品的太赫兹光谱。(d)相对于细胞壁的两个主要THz极化(电场)方向的示意图φ=0°和φ=90°。(e)太赫兹电场与单向层状细胞壁之间不同角度φ的传输的内插数据(实验步长Δφ=10°)。

图3.密度为20mg/cm3的MXene/CNF混合气凝胶中各种MXene含量的THz参数的实验数据和理论模型。(a)折射率n的实部,(b)折射率κ的虚部,(c)双折射Δn,(d)吸收α,(e)对于两个THz场方向(φ)的介电函数的实部,(f)两个角度(φ)的介电函数的虚部,(g)在0.4THz处的角度φ=0°的模拟介电函数(实部和虚部),(h)模拟介电函数(实部和虚部)在0.4THz时φ=90°。在(a)-(f)中,灰色虚线对应于计算出的参数,由于样品的高吸收率导致数据分析问题,因此在物理上被认为是可疑的。在(g)和(h)中,MXene体积含量的误差线来自具有固定MXene质量比的挠性气凝胶的厚度的测量不确定性。

图4.(a)具有各种密度的10wt%MXene/CNF气凝胶的电导率,以及(b)密度为20(左)和2.7(右)mg/cm3的基于CNF的层状多孔支架的相应SEM图像。(c)具有各种密度的10wt%MXene/CNF气凝胶的THz吸收和(d)THz双折射值。(e)来自相应气凝胶的压缩MXene/CNF膜的SEM图像(约20mg/cm3)(插图显示了压缩膜的照片)。(f)在太赫兹磁场方向φ=0°和90°压缩之前和之后,典型的MXene/CNF混合气凝胶(20mg/cm3)的传输。

图5.(a)密度为20mg/cm3的CNT/CNF层状多孔气凝胶(左)和密度为6mg/cm3的AgNW/CNF层状气凝胶(右)的光学图像。(b)AgNW和(c)嵌入CNT的CNF气凝胶的细胞壁的SEM图像。(d)AgNW/CNF气凝胶和(e)CNT/CNF气凝胶以及相应的固体薄膜的电导率。相应的(f)AgNW/CNF和(h)CNT/CNF混合气凝胶在THz场方向φ=0°和90°时的THz吸收。(g)AgNW/CNF和(i)CNT/CNF混合气凝胶的THz双折射值。(f)–(i)中的虚线灰色线代表计算得出的参数,由于样品的高吸收率导致数据分析问题,因此在物理上被认为是可疑的。

参考文献:doi.org/10./acsnano.1c



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