具有增强三阶非线性光学响应和伽马射线屏蔽性能的 Ag@GO 纳米复合材料涂覆棉织物

《Optik》：Ag@GO Nanocomposite-Coated Cotton Fabric with Enhanced Third-Order Nonlinear Optical Response and Gamma-Ray Shielding Performance

摘要本研究通过锚定银纳米粒子（AgNPs）到氧化石墨烯（GO）纳米片上，合成了银纳米粒子修饰的氧化石墨烯（AgNPs@GO）纳米复合材料，随后将其涂覆在棉布上，获得了柔性、轻质且多功能的平台。场发射扫描电镜（FESEM）结构表征显示，AgNPs分散均匀，平均粒径约为32&nb

　　

摘要

本研究通过锚定银纳米粒子（AgNPs）到氧化石墨烯（GO）纳米片上，合成了银纳米粒子修饰的氧化石墨烯（AgNPs@GO）纳米复合材料，随后将其涂覆在棉布上，获得了柔性、轻质且多功能的平台。场发射扫描电镜（FESEM）结构表征显示，AgNPs分散均匀，平均粒径约为32  nm，均匀分布在GO纳米片上。XRD和EDX分析进一步证实了金属银的结晶特性以及元素分布的均匀性，验证了AgNPs@GO纳米复合材料的成功制备。

AgNP@GO涂覆织物的非线性光学（NLO）性能表现出强烈的逆饱和吸收和自聚焦行为。品质因数（FOM）计算证实了AgNP@GO涂覆织物在光学开关应用方面的潜力。

除光学性能外，AgNP@GO涂覆织物还表现出优异的γ射线屏蔽能力。在窄束几何条件下，使用锎-241源进行γ射线测量，在26.3  keV和59.6  keV处的质量衰减系数分别为22.142 ± 0.05  cm2·g?1和1.890 ± 0.02  cm2·g?1。在59.6  keV处相对于纯银的29%增强与已发表文献中其他纳米粒子复合材料（在相似能量下的16–28%增强）吻合良好，验证了我们的实验方法。两次测量之间完美的11.7比值证实了内部一致性。增强的产生源于GO作为纳米支架防止AgNPs团聚，消除了"阴影效应"。对额外屏蔽参数的计算，包括半值层（HVL）、十分之一值层（TVL）、有效原子序数（Z_eff）和辐射防护效率（RPE），证实了Ag@GO涂覆织物作为柔性无铅辐射屏蔽材料的潜力。

引言

过去十年间，纳米技术在各科技领域经历了快速发展，推动了具有增强性能和降低材料消耗的多功能材料的开发。在新兴纳米结构中，氧化石墨烯（GO）因其大的比表面积、丰富的含氧官能团和优异的分散性而备受关注，能够实现高效的化学功能化和杂化材料设计[1]。银纳米粒子（AgNPs）以其局域表面等离子体共振（LSPR）特性而闻名，表现出卓越的乐观、催化、电磁和抗菌性能，这些性能在纳米尺度下因所谓的纳米尺寸效应而进一步增强[2]、[3]。将AgNPs锚定到GO纳米片上可产生杂化纳米复合材料，将等离子体场增强与GO的扩展π共轭电子结构相结合，从而改善理化性能[4]。

虽然AgNPs@GO纳米复合材料已被研究用于多种应用——包括非线性光学[5]、[6]、[7]、电磁干扰屏蔽、药物递送[8]和聚合物增强[9]——但这些研究一直专注于单一功能。该材料体系的γ射线屏蔽潜力受到极少关注，同时探索NLO性能和辐射衰减的研究仍完全未被探索。此外，将这些双重功能整合到柔性可穿戴纺织品基底的尝试尚未见诸文献。本研究通过首次系统研究AgNPs@GO涂覆棉布中的三阶NLO响应和γ射线屏蔽性能，填补了这一空白。

除了催化和生物医学应用外，AgNPs@GO纳米复合材料是有前景的非线性光学（NLO）系统候选材料。石墨烯基材料表现出强的三阶非线性极化率（χ⁽³⁾），在可见光激发下表现出显著的非线性吸收和折射[5]、[6]、[7]。在杂化等离子体-碳系统中，AgNPs中LSPR诱导的局域场增强增强了光-物质相互作用，而界面电荷转移过程进一步增强了逆饱和吸收（RSA）和自聚焦行为等非线性响应[10]、[11]、[12]。这些协同效应使Ag修饰的GO结构成为光限制和光子保护技术领域的诱人选择。然而，同一纳米复合材料体系在γ射线屏蔽方面的潜力在很大程度上仍未被探索，且将两种功能整合到单一柔性织物平台的尝试尚未被报道。

与此同时，电离辐射在医学、工业和研究中的日益广泛的应用增加了对轻质无铅屏蔽材料的需求[13]。传统铅屏蔽虽然有效，但存在毒性和刚性方面的局限性[14]。将高原子序数填料纳入碳基基质中的纳米复合材料体系提供了一种有前景的替代方案[15]。银（Z = 47）具有中等原子序数、抗菌功能以及相对于铅更低的毒性[16]。此外，纳米粒子在适当支架中的分散由于减少了团聚并改善了界面均匀性而增强了辐射衰减[17]、[18]。GO作为金属纳米粒子分布的有效纳米支架，改善了结构均匀性和屏蔽性能[19]、[20]。虽然个别研究报道了AgNPs/GO复合材料的NLO性能[10]、[11]、[12]或纳米粒子-聚合物体系的γ射线屏蔽[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]，但将两种功能整合到单一、柔性、轻质且无铅的纺织品平台上的尝试尚未被报道。本研究代表了对AgNPs@GO涂覆棉布中三阶NLO响应和γ射线衰减性能的首次系统研究，填补了多功能纺织品基材料文献中的空白。

据此，本研究报道了将AgNPs@GO纳米复合材料涂覆到棉布上，并评估其三阶NLO性能和γ射线衰减性能，旨在开发一种用于光子学和辐射屏蔽应用的柔性、轻质且多功能的平台。本工作的关键创新在于证明了一种单一、柔性、轻质且无铅的纺织品平台可以同时表现出强烈的逆饱和吸收、自聚焦非线性折射和增强的γ射线衰减——这些性能的组合尚未在基于棉布的纳米复合材料中被报道。这一双重功能使AgNP@GO涂覆织物成为需要光限制和辐射保护的应用的有前景候选材料，例如防护面罩、智能纺织品以及医学或航天用途的轻质屏蔽。

章节摘要

材料

石墨粉、氯化钠（99%，NaCl）、硫酸（99%，H₂SO₄）、高锰酸钾（99%，KMnO₄）、过氧化氢（～25%，H₂O₂）、盐酸（37%，HCl）、氨水（～25%，NH₃）、硝酸银（99%，AgNO?）、聚乙二醇（PEG）均购自Merck公司，未经纯化直接使用。

GO纳米片的合成

采用Hummers法从石墨粉合成GO纳米片。简而言之，在室温下将氯化钠添加到石墨粉中。混合物的温度 

结构特性

GO纳米片上修饰的AgNPs纳米结构如图所示（图4(a)）。AgNPs的形貌近似球形。颗粒完全覆盖GO表面并附着于其上。颗粒尺寸分布直方图显示了宽泛的尺寸分布（图4(b)）。颗粒尺寸小于50  nm；AgNPs的平均粒径为32  nm。

AgNPs@GO复合材料的XRD图谱显示于图4(c)中。在2θ=12.3°处出现的显著峰是 

结论

本研究成功合成了AgNPs@GO复合材料并均匀固定在棉布上，开发了多功能柔性平台。FESEM观察证实了分散良好的AgNPs的存在，平均粒径约为10  nm，分布在GO纳米片上。XRD分析通过特征(111)和(200)衍射峰（JCPDS No. 04-0783）验证了金属银的结晶结构，而EDX映射展示了均匀的 

CRediT作者贡献声明

M.R. Sayed Mir：写作—审阅与编辑、可视化、监督、资源、项目管理、调查、资金获取、概念构思。R. Soltani Gerdefaramarzi：写作—原稿撰写、方法论、调查。H. Zare：监督、资源、项目管理、调查、资金获取、概念构思。Z. Dehghani：写作—审阅与编辑、监督、软件、数据整理、概念构思。A. Amiri：写作—原稿撰写，

利益冲突声明

• •
  所有作者均参与了(a)构思和设计，或数据的分析和解释；(b)起草论文或对其进行重要的智力内容进行批判性修订；以及(c)批准最终版本。
• •
  本手稿未提交至另一期刊或其他出版场所，也未经审稿。
• •
  作者与任何对手稿所讨论的主题具有直接或间接财务利益的组织无关联。
• •
  该 

R. Soltani Gerdefaramarzi | Z. Dehghani | H. Zare | A. Vejdani Noghreiyan | A. Amiri | M.R. Sayed Mir

伊朗亚兹德，伊斯兰自由大学，材料工程系