东华大学黄中杰综述：碳纳米管光学与柔性/纤维器件

研究背景

碳纳米管(CNT)因其一维结构而展现出独特的光学、电学、热学、力学和量子特性。单壁碳纳米管(SWCNT)由单层石墨烯卷曲而成，直径通常在1至数纳米之间，具有高长径比、优异的机械柔性和可编程的光电性能；其能带结构、导电性能以及光吸收与发射特性均由手性（即卷曲矢量）所决定。CNT的一维结构特性有利于实现定向排列、可控组装与多维编织，进而可调控多种光学现象，包括透射、超黑、彩虹色、动态变色、结构色、圆偏振光的产生与调制，以及对不同波段电磁波的响应与耦合效应。这些特性为发展光功能柔性器件与纤维集成系统奠定了材料基础。通过对碳纳米管结构、界面、排列方式和编织策略的精确调控，该类材料与器件已在多个前沿科技领域展现出应用潜力。

近日，东华大学黄中杰教授团队与合作者系统综述了基于CNT的一维光-物质相互作用及其在光学功能材料与柔性纤维器件中的研究进展。文章详细阐述了CNT独特的结构优势及其在光学材料、阵列、纤维和复合系统中的应用；重点探讨了如何通过原子结构调控、宏观取向设计与复合集成策略实现对CNT光-物质相互作用的有效操纵，并对该领域未来在多学科前沿中的应用前景进行了展望。相关成果以“Programmable One-Dimensional Light-Matter Interaction: Unlocking the Optical Potential of Carbon Nanotubes”为题发表于《Advanced Optical Materials》期刊。

研究成果

光因其无与伦比的普适性、远程控制与交互能力而著称。智能光学材料因其响应或显示光学信号的动态能力，已成为备受关注的研究主题，为可编程智能复合材料与系统的开发铺平了道路。CNT作为一种经典的一维体系，以其卓越的光、电、热、力学和量子特性而闻名。然而，现有研究大多集中于其他方面的优异性能, CNT在先进技术中作为一维光学元件的全部潜力尚未得到充分挖掘。近年来，通过充分利用CNT的多样性质与独特的一维结构，研究者们正在不断推动基于CNT的光学材料、纤维及柔性系统的发展。本文全面综述了CNT基光学材料与技术的最新进展，重点聚焦于基于CNT特有单元结构、可设计的宏观取向与可定制的复合功能所实现的可编程一维光-物质相互作用，以推动该领域未来的创新与发展。

图文导读

图1. WOS数据库中使用关键词“碳纳米管”和“光响应材料”进行全面检索的结果表明过去15年中基于CNT的光响应材料的研究呈现出显著增长趋势。

图2. SWCNT的手性结构与光学性质：范霍夫奇点间电子跃迁导致的强吸收及光谱。

图3. SWCNT的发光特性：本征荧光、sp³量子色心（分子调节量子势阱深度、图案化）、及利用单链DNA塑造sp²缺陷重构晶格。

图4. CNT阵列薄膜光学性能，包括超透明、超黑、彩虹色、动态变色等。

图5.基于CNT阵列的光致动系统。

图6.基于CNT阵列的太阳能蒸汽发生器。

图7.基于CNT的光学超材料/超表面。

图8.基于CNT纤维的圆偏振光发射器。

图9.基于CNT纤维与纱线的光致动系统。

图10.基于CNT纤维的动态热管理织物。分别依靠人体红外辐射动态电磁耦合或电致变色功能。

图11.通过结构色实现彩色CNT纤维，方法包括碳点与二氧化硅光子晶体集成、二氧化硅光子晶体自组装、或表面涂覆非晶态二氧化钛层。

图12.挑战与展望。主要包括微观结构的精准合成、处理与加工方法的创新、及宏观尺度下的编织和操控。

总结与展望

作为“终极纤维”，CNT代表了一类具备卓越光学性能的一维材料，激发了广泛的研究兴趣并推动多领域科学创新。基于CNT的光学材料可构建性能可调、结构可编码的功能系统与器件。通过调控CNT的微观结构、特性及复合策略，研究者能够赋予材料以往难以实现的独特性能与功能。因此，CNT在300-10000 nm范围内可呈现优异的光学特性，为生物医学、抗反射涂层、智能纺织品、新一代柔性电子、软体机器人、软执行器及自适应系统等诸多领域带来重要机遇。

进一步发展仍需应对若干关键挑战。一是实现纳米结构的精确调控，包括控制直径、长度、手性及缺陷工程。二是进一步发展先进分散、加工与处理方法。三是在复合材料或纤维中的宏观排列特性调控。实现高度有序和可控排列可显著增强材料的定向性能。此外，随着人工智能与数据驱动方法的快速发展，机器学习在推动CNT研究方面展现出巨大潜力。

论文信息

论文链接：http://doi.org/10.1002/adom.202501957

本工作第一作者为东华大学材料科学与工程学院23级硕士生卜云清。本工作通讯作者为黄中杰教授（东华大学材料科学与工程学院、先进纤维材料全国重点实验室）、曹文翰教授（上海科技大学信息科学与技术学院）。黄中杰教授在碳管光学材料领域有多年研究，包括碳管量子色心和智能光致动体系等(Adv. Mater.2018, 30, 1705303 (Highlighted as Nat. Photonics2018, 12, 123)；Adv. Mater.2020, 32, 1906517; Adv. Mater.2021, 33, 2005890; Adv. Funct. Mater.2025, 35, 2422228; ACS Sens.2025, 10, 4687; Adv. Opt. Mater.2025, 13, e01957)。

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