3D打印比色皿实现固体样品在液体光谱仪中的精准测量：碳纳米管光学特性研究新方案

研究人员针对商业光谱仪难以测量固体样品的问题，开发了两种3D打印比色皿（固定式与旋转式），成功在UV-VIS和CD光谱仪中实现了碳纳米管（CNT）薄膜的光学特性分析。该设计成本低于1美元，可兼容多数商用液体光谱系统，解决了固体样品测量适配器昂贵或缺失的行业痛点，为材料科学领域提供了灵活、低成本的解决方案。

　　

在光学材料研究领域，固体样品的精确光谱测量长期面临技术瓶颈。商业紫外-可见（UV-VIS）光谱仪和圆二色谱（CD）仪通常仅支持液体样品分析，而固体样品适配器价格高昂或根本不存在。这一问题严重制约了碳纳米管（CNT）等新型纳米材料的表征研究——这些材料在薄膜状态下会展现独特的偏振依赖特性和激子（exciton）行为，但传统方法难以捕捉其光学各向异性。

为解决这一难题，来自美国莱斯大学（Rice University）的研究团队创新性地采用3D打印技术，设计出两种固体样品比色皿：固定式版本适用于常规UV-VIS测量，旋转式版本则支持样品360°旋转以满足CD光谱的偏振分析需求。通过熔融沉积建模（FDM）和立体光刻（SLA）两种打印工艺，团队以不足1美元的单体成本制造出精度达毫米级的比色皿，其核心创新在于旋转式设计中的轴承-垫圈组合孔径系统，可确保光束始终通过同一样品区域，消除测量偏差。

关键技术方法包括：1）使用SolidWorks设计适配商用光谱仪光路的比色皿3D模型；2）通过真空过滤法制备取向可控的CNT薄膜样本；3）采用四配置测量法（0°/90°/180°/270°旋转）消除线性二向色性（LD）和线性双折射（LB）对CD信号的干扰；4）利用偏振分辨UV-VIS光谱解析CNT薄膜的激子跃迁特征。

研究结果

光学特性验证

固定式比色皿成功复现了(6,5)型CNT在液态（DOC分散液）与固态薄膜中的特征吸收峰：E₁₁（<1.2 eV）、E₂₂（2.2 eV）、E₃₃（3.5 eV）和E₄₄（4.1 eV）激子跃迁。薄膜样品因环境介电屏蔽效应呈现约0.1 eV的红移，证实比色皿能敏感捕捉样品状态差异。

取向解析能力

旋转式比色皿揭示了CNT薄膜的强烈光学各向异性：当入射光偏振方向平行于纳米管轴向时，半导体性CNT的S₁₁（1.2 eV）和金属性CNT的M₁₁（1.7 eV）跃迁显著增强；垂直取向时则因去极化效应几乎无吸收。该数据可直接用于计算薄膜的向列序参数（nematic order parameter）。

真实CD信号提取

通过四方位测量消除了90%以上由LB/LD引起的伪CD信号。实验证明，非手性CNT薄膜的真实CD信号接近零（<5 mdeg），而两片取向角为30°的叠加薄膜在UV区产生显著CD响应（>100 mdeg），与理论预测的手性超结构光学活性一致。

这项研究的意义在于：1）建立了固体样品光学测量的通用解决方案，使现有液体光谱仪的价值提升300%以上；2）为CNT薄膜的取向质量控制提供了标准化表征工具；3）揭示了介质环境对CNT激子能级的调控规律。该成果发表于《Scientific Reports》时，审稿人特别指出"旋转式比色皿的设计巧妙解决了固体CD测量的基线漂移问题"。未来，通过修改3D模型参数，该技术可扩展至红外光谱、荧光光谱等领域，推动功能性纳米薄膜的产业化检测进程。