【科研摘要】
最近， 瑞士 Elena Mavrona 和 Gustav Nyström 教授团队 在《 ACS Nano 》上发表了题为 Terahertz Birefringent Biomimetic Aerogels Based on Cellulose Nanofibers and Conductive Nanomaterial s 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（2.7–20 mg/cm 3 ）。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0.4 THz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。
【主图导读】
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20 mg/cm 3 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10 wt％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Δ φ = 10°）。
图 3. 密度为20 mg/cm 3 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0.4 THz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0.4 THz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10 wt％MXene/CNF气凝胶的电导率，以及（b）密度为20（左）和2.7（右）mg/cm 3 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10 wt％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20 mg/cm 3 ）（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（ 〜 20 mg/cm 3 ）的传输。
图 5. （a）密度为20 mg/cm 3 的CNT/CNF层状多孔气凝胶（左）和密度为6 mg/cm 3 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/10.1021/acsnano.1c00856
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