在現(xiàn)代技術(shù)中，透明導(dǎo)電薄膜（TCF）是許多電子、光電、能源等設(shè)備的重要組成部分。其中，氧化銦錫（ITO）以其優(yōu)異的透明導(dǎo)電性成為了工業(yè)生產(chǎn)中的主流。然而，銦是****資源且價(jià)格昂貴，ITO固有的脆性更是使其難以應(yīng)用在日漸發(fā)展的柔性可穿戴器件中。目前，已開(kāi)發(fā)出碳納米薄膜、金屬納米線(xiàn)、導(dǎo)電高分子等替代ITO的透明導(dǎo)電材料。其中，碳納米薄膜被認(rèn)為是*有潛力的候選材料之一，因其具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)特性，柔性和出色的穩(wěn)定性，以及未來(lái)**應(yīng)用和航空航天領(lǐng)域亟需的輕質(zhì)，抗輻照，以及超耐疲勞等特性。然而，實(shí)現(xiàn)柔性透明導(dǎo)電薄膜廣泛應(yīng)用的前提不僅要求其有高質(zhì)量，而且還須能夠大面積甚至規(guī)?；苽?。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所周維亞研究員指導(dǎo)博士生岳盈等，研發(fā)了一種新穎的刻面驅(qū)動(dòng)碳納米管網(wǎng)絡(luò)重組方法（FD-CNNR），用于制備大面積柔性自支撐碳納米透明導(dǎo)電薄膜，使重組薄膜的力學(xué)強(qiáng)度、透光率和電導(dǎo)率等多種性能得到協(xié)同提升，并且其面積可達(dá)A3尺寸，長(zhǎng)度可達(dá)米級(jí)。基于該薄膜，設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一種新型柔性智能窗。相關(guān)工作以“Large-area Flexible Carbon Nanofilms with Synergistically Enhanced Transmittance and Conductivity Prepared by Reorganizing Single-walled Carbon Nanotube Networks”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。

/ 碳納米薄膜的透明導(dǎo)電性、力學(xué)性能得到協(xié)同提升 /

圖 1. （a-c）漂浮在水面上的自支撐G-RSWNT薄膜照片，尺寸分別為1 m×10 cm，A4尺寸，A3紙尺寸。（d）不同碳納米薄膜的透射光譜和面電阻。（e）不同碳納米薄膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，斜率代表?xiàng)钍夏Ａ俊?

/ 刻面驅(qū)動(dòng)重組機(jī)制助力形成大面積Y型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) /

圖 2. （a，b）刻面驅(qū)動(dòng)SWNT網(wǎng)絡(luò)重組示意圖。（c，d）RSWNT和G-RSWNT的SEM圖像。

【大面積自支撐碳納米透明導(dǎo)電薄膜可被無(wú)損轉(zhuǎn)移至目標(biāo)襯底】

將重組碳納米管薄膜的各項(xiàng)性能與*近的代表性柔性TCF相關(guān)的報(bào)道進(jìn)行比較，如圖3a和3b所示。可見(jiàn)，重組碳納米薄膜不僅透明導(dǎo)電性處于**水平，還具有自支撐、潔凈轉(zhuǎn)移等優(yōu)異特性。同時(shí)，該工作擬補(bǔ)了大面積石墨烯-碳納米管復(fù)合薄膜領(lǐng)域的研究短板。

在實(shí)際應(yīng)用中，大面積、均勻的G-RSWNT薄膜可以通過(guò)Batch-to-Batch方法自支撐轉(zhuǎn)移至任意襯底。該工藝十分簡(jiǎn)單，并且具有良好的兼容性。圖3c展示了PET襯底上的大面積G-RSWNT薄膜照片。

圖 3. （a）本工作與其他報(bào)道中的碳納米薄膜的面電阻和透光率比較。（b）本工作與其他報(bào)道中的碳納米薄膜的多種性能比較。（c）A3尺寸和1 m×10 cm的G-RSWNT TCF照片，襯底為PET。

/ 基于重組碳納米透明導(dǎo)電薄膜和相變液晶的柔性智能窗 /

優(yōu)異的透明度和導(dǎo)電性以及大面積的制備使得重組碳納米薄膜成為下一代透明導(dǎo)電材料的有力競(jìng)爭(zhēng)者。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，滿(mǎn)足節(jié)能環(huán)保等多功能需求的智能化設(shè)備日益受到重視。在建筑，交通運(yùn)輸甚至航空航天等領(lǐng)域，用于分隔內(nèi)外空間的窗戶(hù)往往會(huì)帶來(lái)額外的能源耗散，在一些惡劣的環(huán)境下還會(huì)面臨起霧和結(jié)冰等問(wèn)題。這一方面會(huì)帶來(lái)能源的浪費(fèi)，另一方面還會(huì)對(duì)窗戶(hù)的**性和實(shí)用性造成影響。為了解決這些問(wèn)題，本工作制備了一種基于G-RSWNT薄膜和相變液晶的柔性智能窗，可以實(shí)現(xiàn)可控調(diào)光，快速加熱，除霧等功能。其原理示意和性能測(cè)試如圖4a和4b所示。

根據(jù)需求，當(dāng)環(huán)境溫度低于相變溫度（~30°C）時(shí)，智能窗處于透明狀態(tài)（OFF），此時(shí)會(huì)有更多的陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)。當(dāng)環(huán)境溫度較高，或需要保護(hù)隱私、投影等功能時(shí)，可通過(guò)增加電壓（2 V cm-1）將智能窗調(diào)節(jié)到不透明狀態(tài)（ON）。當(dāng)窗戶(hù)遇到霧氣時(shí)，智能窗可以通過(guò)焦耳加熱（0.04 W cm-2）來(lái)除霧。圖4e-g展示了A4 尺寸的柔性智能窗的實(shí)際工作照片。得益于 G-RSWNT TCF 的出色穩(wěn)定性，智能窗在人工控制服役期間同樣具有出色的環(huán)境穩(wěn)定性。

這種性能**的多功能柔性智能窗未來(lái)可用于顯示窗、顯示鏡、顯微鏡、相機(jī)鏡頭等設(shè)備。此外，它在航空航天飛行器、建筑房屋（商店、辦公室等）、農(nóng)作物種植、運(yùn)輸設(shè)備（輪船、飛機(jī)等）以及在極寒地區(qū)使用的裝甲車(chē)等場(chǎng)景中也有很大的使用價(jià)值。

圖 4. （a）基于G-RSWNT薄膜的柔性智能窗的結(jié)構(gòu)和原理示意圖。（b）智能窗在不同電壓密度下的溫度變化。（c）智能窗在不同穩(wěn)態(tài)溫度下的功率面密度。（d）智能窗在ON/OFF狀態(tài)下的透射率。（e, f）室溫25 ℃，展平和彎曲狀態(tài)下，通過(guò)電壓調(diào)控智能窗透明度變化。（g）20 ℃下的除霧測(cè)試，智能窗工作溫度為28 ℃。

/ 總結(jié) /

為了克服碳納米薄膜的一些關(guān)鍵特性（透明度、導(dǎo)電性、力學(xué)強(qiáng)度等）之間的相互制約，本工作提出了一種先進(jìn)的FD-CNNR 策略來(lái)設(shè)計(jì)并制備重組碳納米薄膜（包括 RSWNT TCF和 G-RSWNT TCF）。這些薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的柔性、高力學(xué)強(qiáng)度、輕質(zhì)、出色的透光率和導(dǎo)電性、以及穩(wěn)定性。同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)大面積甚至規(guī)?；苽??；诖竺娣e柔性 G-RSWNT TCF 的新型 A4 尺寸柔性智能窗已經(jīng)研制成功，可以實(shí)現(xiàn)可控調(diào)光和快速除霧，在智能制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

柔性、輕質(zhì)、高強(qiáng)度、大面積的碳納米透明導(dǎo)電薄膜可應(yīng)用于柔性電子、光電器件、光學(xué)工程、人工智能、現(xiàn)代建筑、交通運(yùn)輸甚至航空航天等領(lǐng)域。此外，F(xiàn)D-CNNR 策略不僅能為 TCF 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供新的視角，還能為其他功能薄膜（高強(qiáng)度薄膜、保護(hù)膜等）的研究提供新的啟示。