电致变色的聚二炔/碳纳米管复合纤维

对环境响应的敏感材料如聚二炔近20年来一直是材料领域的热点论题。虽然聚二炔在自愈合材料、光电材料、灵敏器件、分子分离等诸多领域显示了广泛的应用前景，但是依然存在不足，主要表现在两个方面：一是大部分聚二炔的颜色变化是不可逆的，二是刺激聚二炔变色的环境因素有限。..本项目拟通过与具有优异电学性能的碳纳米管形成复合纤维，以获得在电流作用下颜色可逆变化的聚二炔材料。基本构想是：复合纤维具有良好的导电性，可以通过较高的电流，对于单根碳纳米管，超过临界值的电流导致表面连接的聚二炔构象变化，共轭链长变短；对于直径微米级别的复合纤维，大量碳纳米管上聚二炔上述电子效应的叠加从宏观上指示颜色变化；撤掉电流，聚二炔构象可逆回复，复合纤维的颜色恢复如前。这些电致变色的复合纤维在显色器、智能窗、敏感器件、记忆元件等方面有着重要的应用潜力。在电流作用下颜色变化以及电流作用下颜色可逆变化的聚二炔材料以前从未报导过。

本项目顺利完成预期目标，通过物理和化学两种方法获得具有电致变色的新型聚二炔/碳纳米管复合纤维，系统研究并获得了复合纤维电致变色机制，即取向碳管之间形成的电场诱导聚二炔侧链重排，导致聚二炔主链构象改变而在宏观上显示颜色变化。发现碳管结构和聚二炔侧链是影响电致变色可逆性和灵敏度的关键因素，总结出电致变色规律。基于相似的研究思路，在取向碳管之间引入侧链含有偶氮苯的液晶高分子，获得一系列具有优异机械、电学、敏感变形的复合膜和纤维。具体总结如下：（1）碳管质量是影响敏感材料灵敏度和可逆性的关键因素，而要得到高质量的可纺碳管阵列一直是个挑战，本项目通过化学气相沉积法，系统改变催化剂厚度、乙烯以及氩气和氢气流量、反应温度、反应时间等参数，最终获得制备可纺碳管阵列的最佳参数范围，稳定得到高质量的碳纳米管阵列。（2）聚二炔电致变色非常迅速，超过目前的所有报道，改变单体组成（如末端为羟基和羧基）和结构（不同亚甲基单元数），发现聚二炔复合纤维在灵敏度上没有明显区别，但侧链越长可逆性越好。另外，刚制备的复合纤维显示不同的颜色，侧链较短时显示黄色，而较长时显示蓝色。（3）基于碳管和聚二炔相互作用的规律，以取向碳管作为模板，诱导侧链含有偶氮苯基元的液晶高分子取向，从而发展出制备液晶材料的一种新方法。与传统摩擦法相比，碳管之间的纳米沟槽更有效诱导液晶基元取向，复合材料更加均匀，而碳管优异的电学性能也克服了静电积聚的难题。新型液晶高分子复合材料快速可逆敏感变形，并有极高的强度和导电率，本项目将其发展成一类新型电子开关。在本项目资助下，已发表SCI论文（含接收）32篇，包括8篇Adv Mater、5篇Angew Chem和1篇Nano Lett，2010和2012年分别被Chem Soc Rev和Acc Chem Res邀请撰写复合敏感材料的综述，研究工作多次被Nature子刊等以研究亮点报道；已授权4项中国专利和2项美国专利，另已申请18项中国专利和1项美国专利。