随着智能工业的快速发展，柔性白光发光（WLE）材料在照明、显示、光电器件等领域发挥了重要作用。传统的WLE材料主要由无机荧光粉构成，较差的柔韧性和稳定性限制了其作为柔性光电器件的应用。因此，开发柔性WLE材料具有重要的现实意义。

为什么选择纳米纤维气凝胶作为荧光材料？

纳米纤维是控制空间距离和抑制供体与受体间过度ET的理想载体。通过将小分子、共轭聚合物、稀土化合物或量子点掺杂到静电纺丝溶液中，可以快速获得结构稳定、比表面积高的荧光纳米纤维。其独特的纳米结构使其在光电子器件领域显示出广阔的应用前景。荧光纳米纤维气凝胶(NFA)是一类新兴的气凝胶，具有三维网状结构，有利于荧光分子的均匀分散。它既能保持气凝胶的优良性能，又能将纳米纤维与各种荧光分子结合，赋予其更多的光电功能。这种高度可设计的荧光NFA可以克服传统荧光纳米纤维薄膜可塑性差的缺点。

近日，北京化工大学潘凯研究员和赵彪博士开发了一种简单有效的方法来制备荧光纳米纤维气凝胶（NFA）。通过简单地将NFA中蓝色和橙色荧光纳米纤维的质量比调整为3:2，即可获得覆盖整个可见光区域的均匀白光 (0.322,0.305)。这种WLE-NFA具有6.47 mg cm–3的超轻体积密度，且量子产率高达27%。此外，荧光NFA还可以通过冷冻模具的各种设计加工成不同的3D形状和集成发光图案。这种纳米纤维重建方法将荧光分子与柔软的纳米纤维材料相结合，开发出一种成本低、制备简单、性能稳定的柔性 WLE-NFA。作为一种全新的柔性发光材料，有望在固态照明、光学传感、智能显示、生物成像、荧光防伪、智能织物等领域得到广泛应用。相关研究成果以“Flexible, Ultra-Light, and 3D Designed White-Light-Emitting Nanofiber Aerogel”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。

图 1. a) 静电纺丝工艺、b) 不同的短纳米纤维分散体、c) 混合纳米纤维分散体和 d) 交联 WLE-NFA 的示意图。

纳米纤维气凝胶的制备和表征

首先通过静电纺丝制备直径均匀的CA、蓝色荧光PAN（B-PAN）和橙色荧光PAN（O-PAN）纳米纤维（图1a），然后进一步分解成短纳米纤维分散体（图1b）。在聚合过程中，MTS分子中的三个氯原子与CA纳米纤维和SA上的羟基发生反应。并且MTS分子进一步聚合成具有3D网络结构的聚硅氧烷并包覆在纳米纤维表面，实现NFA的二次交联。最终可获得具有良好发展的孔隙结构的超轻WLE-NFA。

CA纳米纤维表面丰富的羟基促进了氢键的形成，赋予了NFA自支撑性能，可有效避免NFA在冷冻干燥过程中过度收缩（图2a）。MTS聚合后NFA的表面疏水性明显增强。荧光NFA中的多级孔隙也可以为实现B-PAN和O-PAN纳米纤维的空间隔离提供有效途径（图2）。这种多孔结构将使控制供体和受体之间的ET效率成为可能。

图 2. a) 交联过程示意图，b) 荧光 NFA 的疏水表面，c) 表面和 d) 荧光 NFA 的横截面的 SEM 图像，e-g) 内部不同交联结构的 SEM 图像 荧光 NFA。

图 3. a) 荧光分子的结构，b,c) B-PAN 和 O-PAN 纳米纤维的发射光谱，d) 不同 B:O 质量比的荧光 NFA 的发射光谱，以及 e,f) CIE 坐标和 WLE-NFA 的相应发射光谱。

图4 a)蓝色荧光分子在不同NFA中的荧光寿命，b)发射光谱，c) 3:2混合纳米纤维和分子荧光NFA的CIE坐标。d、e) 3∶2混合纳米纤维荧光NFA的结构示意图和ET机理;f、g) 3∶2混合分子荧光NFA的结构示意图和ET机理。

图 5. a) 超轻 WLE-NFA 的照片，b) 不同 NFA 的体积密度，c) 压缩性能，d) 压应力-应变曲线，以及 e) WLE-NFA 的弯曲性能，不同的 CIE 坐标 WLE-NFA 正面 (f) 和背面 (g) 上的点。

图 6. 不同形状的设计，如 a) 英文字母，b) 简单拼图，c) 荧光 NFA 的太极图案，以及 d) 荧光 NFA 的柔性。 （UV：365 nm 紫外光；NL：自然光）。

结论

作者通过使用静电纺丝纳米纤维构建具有优异固体可塑性的 WLE-NFA。其丰富的孔隙结构不仅赋予了 NFA 的柔韧性，而且有助于调节不同荧光分子之间的 ET 效率。通过简单地将荧光 NFA 中 B-PAN 和 O-PAN 纳米纤维的质量比调整为 3:2，可获得覆盖整个可见光区域的白光 (0.322,0.305)。 WLE-NFA 不仅具有 6.47 mg cm-3 的超轻体积密度，而且在低荧光分子浓度下也能实现高达 27% 的高量子产率。

此外，通过冷冻模具的进一步设计，荧光NFA还可以制备成所需的3D形状和集成发光图案。这种纳米纤维重建方法将小分子与静电纺丝纳米纤维相结合，开发出低成本、易加工、光学性能稳定的 3D 柔性 WLE 材料。作为柔性发光材料领域的新兴力量，它可以克服传统荧光纳米纤维薄膜可塑性差的问题，有望为开发下一代柔性WLE材料提供新思路。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202109240.