准光子晶体增强型Ti3C2Tx MXene光热材料在无线驱动与治疗应用中的高效性能研究

针对MXene材料光吸收效率低导致整体光热转换性能受限的问题，研究人员通过真空过滤聚四氟乙烯纳米颗粒（PTFE NPs）构建准光子晶体结构，显著提升Ti3C2Tx MXene的光捕获能力。该研究实现了195%的光热效率提升（达76.03%），在超低近红外功率（0.06 W cm?2）下获得21.9°C s?1的快速升温速率，并成功应用于生物启发器件、马兰戈尼驱动及组织焊接等医疗场景，为高性能光热系统设计提供普适性策略。

　　

在能源转换与生物医学领域，光热材料因其将光能转化为热能的特性备受关注。然而，尽管二维材料MXene具有近乎完美的内禀光热转换效率，其实际应用却受限于较低的光吸收率——尤其在红外波段吸收率骤降至10%，导致整体效率仅30.6%。更棘手的是，MXene易氧化、湿度敏感的特性进一步限制了稳定性。这些问题使得现有光热系统需要高功率激光驱动（通常≥1 W cm^?2），严重阻碍了其在柔性电子、微创医疗等低功耗场景的应用。

为解决这一挑战，上海科学技术大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表了一项突破性研究。他们创新性地将光热惰性的聚四氟乙烯纳米颗粒（PTFE NPs）通过真空过滤沉积在Ti₃C₂T_x MXene薄膜表面，构建出具有准光子晶体结构的层状薄膜。这种设计通过调控光传播路径，使近红外光在MXene层内形成多次反射，将光吸收效率提升至76.03%，比原始MXene提高195%。在仅0.06 W cm^?2的超低功率808 nm激光照射下，材料可实现21.9°C s^?1的升温速率和70°C的稳态温度，且经过10,000次循环后性能无衰减。

研究团队采用真空过滤组装技术构建PTFE/MXene/PC（聚碳酸酯）三层薄膜，通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）表征纳米结构，并利用紫外-可见-近红外分光光度计（UV-Vis-NIR）量化光吸收性能。光热测试系统记录实时温度变化，而原子力显微镜（AFM）和接触角测量仪则评估材料表面特性。

Photothermal performances of P/M/PC film
研究发现PTFE NPs形成的准光子晶体结构能有效捕获808 nm近红外光，将MXene的反射率从39%降至12%。这种光陷阱效应使复合薄膜在0.16 W cm^?2功率下的升温速率达到原始MXene的2.95倍。分子动力学模拟揭示PTFE层通过减少表面氧吸附，显著延缓MXene氧化，使材料在空气中稳定性提升300%。

Conclusion
该研究不仅开发出当前最低驱动功率（0.06 W cm^?2）的光热驱动器，还展示了多场景应用：仿生叶片在阳光下可编程弯曲、水面马兰戈尼效应驱动微型船只、以及光热辅助组织焊接——后者在3秒内实现胶原纤维融合，创面强度达原生组织的82%。值得注意的是，该方法对石墨烯等其他光热材料同样有效，展现出普适性。

讨论与意义
这项研究通过"光热材料+光子晶体"的协同设计，突破了传统光热系统对高功率光源的依赖。其创新点在于：1）利用廉价PTFE实现性能倍增，成本仅为金纳米颗粒修饰法的1/50；2）疏水PTFE层赋予材料自清洁功能，解决MXene亲水性导致的污染问题；3）模块化设计支持MXene回收再利用，符合可持续发展需求。该成果为开发低功耗医疗机器人、智能农业调节器等设备奠定基础，尤其对偏远地区无电源环境下的光热治疗具有重要价值。