變色材料已廣泛應用于智能紡織品、防偽、節(jié)能窗戶和信息顯示等，在智能可穿戴、節(jié)能建筑和人工智能等領域具有潛在的應用價值。基于光、電、熱的變色材料需要持續(xù)消耗能源才能維持顯色，而且由太陽能取代能源的光熱材料多是黑色吸光物質，直接摻雜會掩蓋變色材料自身的顏色，阻礙綠色能源與變色材料的協(xié)同發(fā)展。因此，研究太陽能與變色性能的雙功能智能纖維材料具有重要意義。
近期，江南大學付少海和張麗平教授在Advanced Fiber Materials上發(fā)表了題為“Asymmetric Janus Fibers with Bistable Thermochromic and Efficient Solar Thermal Properties for Personal Thermal Management”的研究成果，通過結合雙穩(wěn)態(tài)熱致變色、光致變色和太陽能熱性能，構建了Janus纖維（BTCSJF），可以通過光熱轉換驅動纖維變色，且在沒有持續(xù)能源供給時也能穩(wěn)定顯示2種顏色，實現(xiàn)零能耗，并可收集和存儲熱能，管理人體熱環(huán)境。
使用簡單的雙通道微流控裝置，采用動態(tài)溶膠-凝膠濕法紡絲制備了BTCSJF，通過凝固浴，將含有二維材料（MXene）和雙穩(wěn)態(tài)熱致變色微膠囊（BTC-Ms）的紡絲液有序固定在纖維兩側（Janus A和Janus B），從圖1可以看出有效結合了2種性能，在自供電集成雙穩(wěn)態(tài)變色和個人熱管理應用方面具有很好的應用前景。
如圖3所示，通過密度泛函（DFT）理論研究了BTC-Ms的變色機理。GN-2分子的HOMO能級（-4.929 eV）高于BPA（-5.583 eV），即GN-2分子的電子轉移到BPA上形成供-受體（D-A）復合物。因此，室溫時的BPA促使GN-2分子質子化，內酯環(huán)斷裂呈兩性離子共軛異構體（GN-2-open），此時GN-2-open屬于GN-2分子的低能態(tài)；當高溫刺激時，BPD由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，BPA與BPD分子間的作用力更強，導致GN-2分子與BPA分離去質子化，轉變?yōu)閮弱バ彤悩嬻w；當無外部溫度刺激時，GN-2迅速質子化回到GN-2-open。
MXene具有良好的光熱轉換性能，在Janus B中充當光吸附劑，增強BTCSJF捕獲光子并將其轉化為熱能的能力；BTC-Ms在提供變色和穩(wěn)態(tài)性能的同時，還可以通過相變存儲熱能（圖4）。在實際應用中，可以通過調節(jié)照射時間來調節(jié)刺激溫度或人體舒適溫度，且在200次光熱轉換循環(huán)測試中，BTCSJF表現(xiàn)出良好的轉換穩(wěn)定性。
在光照射20 s后，BTCSJF在450 nm處的反射率（R）從37%增加到86%，即顏色切換迅速（圖5 a-b）。持續(xù)照射2 min后關閉光源，BTCSJF的反射率恒定在86%左右，保持無色態(tài)。光熱轉換和熱能吸收直接影響B(tài)TCSJF顏色的可逆變化和雙穩(wěn)態(tài)（圖5 c）。當MXene含量高于60 mg/mL時，BTCSJF在1000 W/m2照射時具有雙穩(wěn)態(tài)性能（圖5 d）。此外，由于穩(wěn)態(tài)時間與輻照時間成正比，太陽能的利用率直接影響變色雙穩(wěn)態(tài)性能（圖5 e-f）。在100次循環(huán)照射后BTCSJF的顏色對比度變化很小，說明具有很好的變色穩(wěn)定性。
綜上所述，該工作提出了一種構建多功能Janus纖維結構的策略，在纖維上集成雙穩(wěn)態(tài)變色、可穿戴綠色加熱器以及熱管理，制備的BTCSJF在無能源持續(xù)供給時仍能穩(wěn)定維持變色態(tài)180 h以上，在1000 W/m2照射時可自加熱至65 ℃左右，具有高靈敏度、良好的熱能存儲和循環(huán)穩(wěn)定性。Janus纖維結構增強變色和光熱性能的協(xié)同作用為開發(fā)其他光電材料提供了新思路。
