為了獲得多重響應性儲能材料，將相變材料(PCM)和纖維素納米纖維(CNFs)進行超聲處理，制備了具有機械性能可調控的光熱可復寫PCM/CNF-IR 780儲能納米紙。引入微量近紅外染料(IR 780)賦予納米紙光熱效應，從而可以通過控制激光曝照的時間和位置來調節局部透明度，形成可重復使用的光熱書寫紙。
圖1 PCM@CNF儲能納米紙制備機理圖：（a）兩親性纖維素納米纖維用于穩定烷烴相變材料；（b）儲能納米紙透明度隨環境溫度發生變化；（c）儲能納米紙在拉伸過程中的結構變化
近日，西北工業大學張秋禹課題組將烷烴類相變材料（PCM）嵌入到纖維素納米纖維（CNF）基體中，制備出PCM@CNF儲能納米紙并開展性能研究。該過程從簡單的CNF-水-PCM體系開始，基于納米纖維素的兩親性，在超聲波作用下，形成穩定的Pickering乳液，澆鑄成膜后，得到可循環使用的儲能納米紙（圖1）。當納米紙厚度為50μm時，光學透過率可隨溫度變化從0%可逆切換到46%。如圖2所示，借助于納米沉淀法，引入微量近紅外光熱染料（IR780），賦予納米紙光熱響應性，用于調節激光照射下納米紙的局部透明度，從而實現光寫和可復寫效果。
圖2 PCM@CNF儲能納米紙在近紅外激光照射下的光學性能：（a）近紅外激光光源照射儲能納米紙，并使用紅外熱成像儀記錄納米紙表面溫度裝置示意圖；（b）不同激光強度照射隨時間變化的加熱曲線；（c）不同激光強度照射 10 s后，準平衡狀態下的加熱曲線截圖；（d）室溫（20℃）激光照射下儲能納米紙的紅外熱成像圖；（e）PCM@CNF儲能納米紙在激光光源移動下記錄的光學圖像（測試溫度 0℃）
進一步，在相變材料與鈣離子誘導的孔隙結構協同作用下，儲能納米復合紙表現出優異的力學調控能力，拉伸強度從267MPa至45MPa，楊氏模量從8.9GPa至0.6GPa，斷裂伸長率從9.0%至52.5%靈活可控。另外，納米紙的模量、延伸率和透明度等可根據所包覆相變材料熔點進行設計（圖3）。
圖3 PCM@CNF 儲能納米紙的力學拉伸性能
該工作利用生物質材料納米纖維素穩定芯材，并引入光熱染料，使相變材料具有光和熱雙重觸發機制。相變材料和納米纖維的結合不僅保證了相變材料在循環使用過程中不發生泄露，而且利用固-液相轉變過程中遷移率和光學性能的變化，提供納米紙自適應特性。通過控制激光曝照的時間和位置，可以調節儲能納米紙局部透明度，形成可重復使用的光寫介質。此外，PCM/CNF儲能納米紙表現出從剛性到柔性的優異機械調節性能，極大地豐富了其在節能智能顯示領域的應用。
該工作以“An Opto- and Thermal-Rewrite PCM/CNF-IR 780 Energy Storage Nanopaper with Mechanical Regulated Performance”為題發表在《Small》上。文章第一作者是西北工業大學博士生劉錦，通訊作者是西北工業大學張秋禹教授，聯合完成單位包括弗萊堡大學和西安航天動力研究所。該研究得到國家留學基金委的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202200688
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