图1. （A）双层氧化物膜结构色碳纳米管纤维制备过程。（B, C）碳纳米管纤维形貌的SEM照片。（D, E）结构色碳纳米管纤维形貌的SEM照片。（F-I）双层氧化物膜截面的元素分析图像。

如图2所示，对所制备的彩色碳纳米管纤维进行了进一步表征。彩色碳纳米管纤维表面元素组成及含量分析进一步证明了氧化物层的致密性。TEM照片清楚地展示了碳纳米管与氧化物层的结合关系及氧化物的形态。本工作选取了三种具有代表性的金属氧化物，氧化钛（TiO2）、氧化铝（Al2O3）和氧化锌（ZnO）。其中，通过ALD沉积的TiO2和Al2O3为非晶态的，而ZnO由于其六方相在环境条件下非常稳定，因此在本工作选取的温和条件下所制备的ZnO层为晶态。通过Raman表征证明了该方法对碳纳米管自身结构的无损性。进一步地，XPS表征表明，氧化物层与碳纳米管纤维间不仅仅是物理包覆，而是有一定的化学键合，因此，氧化物层不仅仅起到结构致色的作用，还对碳纳米管纤维有一定的保护作用。

图3. 不同氧化物组合的彩色碳纳米管纤维的光学照片。

进一步地，如图4所示，对所制备的所有样品进行反射光谱测试，结构色颜色与氧化物组合呈现出一定的规律。随着双层膜总厚度的增加，饱和度和亮度呈现出先增加后减小的趋势。当底层膜固定时，随上层膜厚度的增加，反射峰出现红移。相反地，当两层氧化物总厚度固定时随上层膜厚度减小反射峰出现红移。

图5. 双层膜薄膜干涉光路分析及模拟反射光谱结果。

总结展望

本文通过ALD沉积两层不同的金属氧化物，成功地制备出多种色彩结构色碳纳米管纤维。双层膜的沉积使得几乎所有的颜色都可以通过组合不同的氧化物并调整每层的厚度来获得。碳纳米管的结构致色是薄膜干涉和表面粗糙度的综合结果。为了揭示其着色机理，研究者利用COMSOL Multiphysics 5.6中的波动光学模块，通过在模型中引入粗糙度参数，最大程度地模拟出了真实情况，模拟计算出的反射光谱经过优化与实验结果高度吻合。此外，由于碳纳米管纤维表面具有一定粗糙度，该方法制备出的碳纳米管纤维不是虹彩色的，避免了由于视角的改变带来的颜色混淆，这在智能显示、防伪等各种应用场景下非常实用。该结构致色的方法解决了长久以来碳纳米管难以致色的问题，大大拓宽了碳纳米管的应用范围。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/sus2.111

通讯作者简介

张如范，清华大学化工系副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国化工学会专业会员、中国能源学会专家委员会委员，Carbon Innovation副主编、SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology及Exploration青年编委。2005-2009年本科就读于中国石油大学（北京）化工学院，2009-2014年博士就读于清华大学化工系，2014-2017年在斯坦福大学材料系从事博士后研究，2018年加入清华大学化工系。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，在Science、Nature Nanotechnology、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文93篇。申请发明专利14项；撰写学术专著7部。曾获侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、2018年《麻省理工科技评论》中国区 “35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、SusMat青年编委杰出贡献奖（2022）、清华大学2020年春季学期在线教学优秀教师奖（2020）、2019国际化学元素周期表年《中国青年化学家元素周期表》入选者（2019）、教育部自然科学一等奖（2016）、清华之友-刘述礼育才奖（2021）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励。

课题组网站链接：

http://www.rufanzhang-group.cn

来源：研之成理