纯有机光热纳米纤维，因其具有出色的太阳光吸收并将其转换成热的特性，在太阳驱动水蒸发、智能服装、热管理和癌症治疗等应用中具有广泛用途。然而,有机分子光热机理与纤维性质的不相容限制了其光热转换效率的提高。这是由于分子运动在纤维中不可避免地受到空间位阻的限制，从而降低了光热产出。因此，如何通过改善纤维中的分子运动来提高纤维的光热效率是一项重要而又具有挑战性的任务。
近日，唐本忠院士团队深圳大学AIE研究中心在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Reverse Thinking of Aggregation‐Induced Emission Principle: Amplifying Molecular Motions to Boost Photothermal Efficiency of Nanofibers”（DOI: 10.1002/ange.202008292）的研究论文。报道了一种巧妙且又通用的策略：逆向思考聚集诱导发光（AIE）概念，通过同轴纺丝策略，制备以溶解AIE分子的油溶液为芯相、聚合物为壳层的芯-壳结构纤维。芯-壳结构中的油相与AIE分子的结合最大限度地凸显了AIE分子在单分子状态可以通过非辐射跃迁途径消散激发态能量的特点。结果表明，这种方法制备的新型芯-壳结构显著提高了纤维光热效率。
图1. 同轴静电纺丝制备芯-壳结构纤维示意图
实际操作中，先将有机光热AIE分子（BPBBT）溶解于油溶液（橄榄油）中，然后以聚合物(PVDF-HFP）为壳层将油溶液包裹，通过同轴静电纺丝设备制备芯层为油溶液的芯-壳结构纤维。通过这种方案， AIE分子可以在纤维内部自由旋转/或振动，从而使非辐射衰变途径支配激发态能量耗散，使得产生的热量非常强大。而传统的直接掺杂方法制备的纤维，则因BPBBT分子在纤维中的分子运动被聚合物链显著抑制，导致非辐射衰减增强，表现出的量子产率大大高于芯-壳结构纤维。
图2. 芯-壳结构纤维与传统纤维性质对比表征
在一个太阳照射5 min后，芯-壳结构纤维的温度可以达到56.1 ℃，而直接掺杂的纤维的温度仅为40 ℃。他们的光热转换效率分别为22.36%和0.86%。26倍的提高充分说明了芯-壳结构是提高纤维光热性能有效策略。随后，通过调控纤维直径，纤维芯层直径以及壳层厚度，研究了不同参数对光热特性的影响。并且通过循环照射、长时间放置、以及洗涤等方式，评估了芯-壳结构纤维的耐久性。选择不同类型的AIE分子（TFM和TTTMN）来检验这种芯-壳结构策略的通用性。结果表明，利用同轴静电纺丝技术制备芯-壳结构是提高纤维光热效率的一种巧妙而又普遍方法。
图3.芯-壳结构纤维的结构、光热性能表征
这种具有良好光热效果的芯-壳结构纤维同时也具有传统纤维的优点：可裁剪性、贴合及透气。因此，在光热贴片、光热服装以及表面组织药物控释等领域均有潜在使用价值。此外，利用其光热特性和纤维较大的比表面积，制成三维结构后，在太阳光驱动水蒸发领域发挥了独特的应用价值，在一个太阳下，其蒸发速率可以达到1.52 kg/m2/h。通过逆向思考，解放分子运动，这项研究所提出的巧妙且通用策略可以显著提高AIE分子在纤维中的光热转换效率，并为下一代绿色、零碳排放的光热转换材料走向实际应用提供了基础。
图4. 芯-壳结构纤维在光热贴片及太阳光驱动水蒸发领域的应用表征
该论文的第一作者是深圳大学AIE研究中心李昊轩博士，深圳大学的温海飞为共同第一作者，香港科技大学唐本忠院士和深圳大学AIE研究中心王东副教授为论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市自然科学基金、深圳大学自然科学基金及中国博士后基金等经费支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/ange.202008292
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