氣凝膠纖維由于結合了氣凝膠的輕質、多介孔特性與纖維的柔韌、細長特性，而在智能織物、柔性電子設備和光學器件等領域受到越來越多的關注。然而，目前的氣凝膠纖維的合成方法和性能還面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，開發(fā)的石墨烯氣凝膠纖維的電導率仍不足以滿足一些實際應用，如電加熱和電磁屏蔽等。因此，制備具有性能增強的氣凝膠纖維或制造具有新型納米結構單元的新型氣凝膠纖維仍然是一項緊迫而關鍵的任務。
中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張學同研究員等人通過簡單的動態(tài)溶膠-凝膠紡絲和超臨界CO2干燥技術制備了一種Ti3C2Tx MXene氣凝膠纖維。該氣凝膠纖維具有可調節(jié)的孔隙率(96.5–99.3%)、高比表面積（142 m2 g-1）和低密度（0.035 g cm-3）等特點。得益于MXene納米片的導電性以及由動態(tài)溶膠-凝膠濕法紡絲實現的高取向結構，所得氣凝膠纖維展現出高達104 S m-1的超高導電率，遠遠超過其他已知的氣凝膠材料。此外，該氣凝膠纖維還具有優(yōu)異的電熱/光熱雙響應性，在柔性可穿戴設備、智能織物和便攜式設備應用中展現出巨大的潛力。該研究以題為“Electrically Conductive, Optically Responsive, and Highly OrientatedTi3C2Tx MXene Aerogel Fibers”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
【氣凝膠纖維的制備策略】
作者通過Ti3C2TxMXene納米片的簡單動態(tài)溶膠-凝膠紡絲和超臨界CO2干燥制備出具有高導電性的MXene氣凝膠纖維，該制備策略具有連續(xù)、易操作和可批量生產的優(yōu)點?；贛Xene納米片的可紡性和Ca2+的交聯(lián)能力，所得氣凝膠纖維具有柔韌性、低密度、高孔隙率和大比表面積的優(yōu)異特性（圖1）。通過自然干燥獲得的MXene纖維，其密度通常為3.0-4.0 g cm-3，且孔隙率低于20%。在此，超臨界干燥過程既不會導致由毛細管力引起的結構坍塌，也不會破壞由溶劑晶體生長引起的氣凝膠網絡結構。因此，該氣凝膠纖維的密度可低至0.035 g cm-3，孔隙率高達96.5-99.3%，體現了超臨界CO2干燥的優(yōu)勢。
圖1氣凝膠纖維的制備示意圖
圖2氣凝膠纖維的表征和性能
【高導電性及電熱響應】
作者改變紡絲濃度來調節(jié)MXene納米片的取向，使得電導率提升了一個數量級至104 S m-1（圖3a），優(yōu)于其他氣凝膠材料（圖3b）。優(yōu)異的導電性可歸因于：（1）MXene納米片固有的類金屬導電性；（2）微米級的MXene納米片；（3）動態(tài)溶膠-凝膠紡絲誘導MXene納米片的高取向?；趦?yōu)異的導電性，該氣凝膠纖維表現出顯著的焦耳熱效應。隨著輸入電壓的增加，氣凝膠纖維的溫度逐漸升高（圖3d），僅需0.5 V的輸入電壓就能使表面產生熱效應。當輸入電壓達到4.5 V 時，氣凝膠纖維的表面溫度已超過178℃，而輸入功率密度僅僅1.63 Wcm-2。與商業(yè)碳纖維相比，該氣凝膠纖維在相同的輸入電壓下展現出更低的響應電壓、更高的響應速度和更高的溫度（圖3e-g），具有優(yōu)異的電熱響應能力。
圖3氣凝膠纖維的導電性能和電熱響應
【光熱響應性能】
該氣凝膠纖維還具有高光吸收能力，在近紅外區(qū)域接近100%（圖4a）。正如預期的那樣，其還表現出出色的光熱響應能力。在一次陽光照射下，單根纖維的溫度可以升至40℃，并持續(xù)5分鐘。此外，作者還研究了其在低溫環(huán)境下的光響應性。在液氮頂部的氣凝膠纖維在一次陽光照射2 min的條件下，其溫度仍可以升至40℃，這說明該氣凝膠纖維還具備光熱轉換功能和極低溫度下的保暖效果（圖4c）。為了進一步評估其光熱響應穩(wěn)定性，作者記錄了一束纖維的循環(huán)溫度變化。結果表明，該氣凝膠纖維的光熱響應性能在循環(huán)過程中沒有表現出任何明顯的退化，突出了其作為基于氣凝膠纖維光熱響應加熱器的潛力（圖4d）。
圖4氣凝膠纖維素的光熱響應性能
總結：作者通過簡單的動態(tài)溶膠-凝膠紡絲策略和超臨界CO2干燥技術，成功制備了具有3D取向多孔結構和優(yōu)異電/光響應性的柔性高導電MXene氣凝膠纖維。由于Ca2+交聯(lián)和無損干燥過程，氣凝膠纖維表現出高比表面積、大孔隙率和纖維柔韌性。該氣凝膠纖維的電導率可以達到104 S m-1，遠大于已報道的其他氣凝膠。此外，該氣凝膠纖維具有優(yōu)異的焦耳熱效應和光熱轉換能力，這使其在柔性可穿戴設備、智能驅動、智能織物和便攜式功能設備中的具有無限潛力。
