木材应用拓展取得新进展

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拓展天然材料的现代应用，将对社会的可持续发展起到重要的推动作用。木材具有良好的生物降解性，是环境友好的植物材料。然而，长期以来，木材作为生命体受限于生长尺寸、缺陷、兼顾生命需求等，其性能不能满足现代需求，从而使得其应用局限于传统的建筑、家具等领域。表面微纳结构是很多光学、光子学等器件的基础，如果在木材的表面实现微纳结构的调控，将突破其传统应用领域，实现其光学、光子学等材料和器件的新应用，甚至发展完全生物降解、可抛弃的环境友好材料与器件。然而，木材是由纵向排列的细胞构成的多孔结构，微米尺度的粗糙表面难以构造纳米结构。此外，木材的主要构成成分之一天然纤维素没有热塑性。因此，在木材表面实现精密的微纳结构仍是一个挑战。

针对上述研究目标和挑战，南京大学祝名伟教授联合美国马里兰大学胡良兵教授，基于木材材料及其纤维分级结构的特点，通过部分去除木质素使微纤丝之间可相对移动，获得木材的类似塑性的力学特性，并在室温、潮湿条件下对木材表面进行纳米压印，然后通过干燥重新形成纤维间的氢键，从而将微纳结构完整、精确地复制到木材表面，实现了木材表面结构的尺寸范围从纳米到微米大跨度的图案的制备与调控能力。

图1 木材的表面微纳结构的实现

该团队通过使用不同的模板，成功制备出了尺度跨度从约40nm纳米半球到的尺度约50微米的压印图案（图2）。从这些图案的高清晰度和保真度可以看出，这种技术可以高效地获得复杂、多尺度的微纳图案。通过多次压印，该团队利用一维光栅实现了木材表面的二维点阵结构。这意味着通过有限的模板类型多次压印，可以在木材表面制备复杂的图案和多尺度的复合结构。

图2展示了使用各种模板在去木质素木材表面的压印能力。木材表面的图案可以从纳米到数十微米的广阔范围。a)大小为40~ 90 nm的纳米点的表面图案；b)表面直径1.6μm 微米凹球图案；c)三角形边长50μm的浮雕；d)NJU标志在木材表面的图案；e) 2维点阵可以用一个光栅模板重复，以不同的角度在木板上刻印两次获得；f)表面有纳米光栅的微尺度半球的多尺度复合结构也可以通过双重压印来实现。

该团队还以木材微透镜阵列(MLA)展示其潜在的光学材料和技术应用。分别制备了凹透镜和凸透镜木材微透镜阵列，并通过光学显微镜成像，如图3所示，字母“F”的微缩图像得到了清晰的识别，显示了木材 MLA具有良好的成像能力。跟传统制备微透镜阵列的材料聚苯乙烯（PS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）相比，木材MLA具有很好的热稳定性，在150℃的高温下，木材MLA没有任何结构改变仍然具有成像能力。木材表面微纳结构的获得，拓展了木材在环境友好的绿色光学、光电子学等新的科技应用领域。

图3 木材基微透镜阵列的展示。a)使用MLA的光学成像装置原理图，其中图像效果以“F”字符为目标进行演示。b) 凸木MLA微球直径≈6.5μm的SEM照片。插图是光散射点图案。它们的周期性排列表明了大范围内MLA的周期性。c)木MLA的成像效果，其中清晰的字母“F”边缘清晰可见。d)相比之下，在150°C时PS MLA图像不清晰。e)凹木MLA也表现出良好的图像效果。

以上成果发表在Advanced Materials （DOI: 10.1002/adma.201903270），Nature对该论文进行了Highlight

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03138-7。论文第一作者为南京大学现代工程与应用科学学院博士生黄大方、硕士吴佳扬，以及美国马里兰大学博士后陈朝吉；通讯作者为南京大学祝名伟教授和美国马里兰大学胡良兵教授。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201903270

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