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木材應用拓展取得新進展
2019-10-18  來源:高分子科技

  拓展天然材料的現代應用,將對社會的可持續發展起到重要的推動作用。木材具有良好的生物降解性,是環境友好的植物材料。然而,長期以來,木材作為生命體受限于生長尺寸、缺陷、兼顧生命需求等,其性能不能滿足現代需求,從而使得其應用局限于傳統的建筑、家具等領域。表面微納結構是很多光學、光子學等器件的基礎,如果在木材的表面實現微納結構的調控,將突破其傳統應用領域,實現其光學、光子學等材料和器件的新應用,甚至發展完全生物降解、可拋棄的環境友好材料與器件。然而,木材是由縱向排列的細胞構成的多孔結構,微米尺度的粗糙表面難以構造納米結構。此外,木材的主要構成成分之一天然纖維素沒有熱塑性。因此,在木材表面實現精密的微納結構仍是一個挑戰。

  針對上述研究目標和挑戰,南京大學祝名偉教授聯合美國馬里蘭大學胡良兵教授,基于木材材料及其纖維分級結構的特點,通過部分去除木質素使微纖絲之間可相對移動,獲得木材的類似塑性的力學特性,并在室溫、潮濕條件下對木材表面進行納米壓印,然后通過干燥重新形成纖維間的氫鍵,從而將微納結構完整、精確地復制到木材表面,實現了木材表面結構的尺寸范圍從納米到微米大跨度的圖案的制備與調控能力。

圖1 木材的表面微納結構的實現

  該團隊通過使用不同的模板,成功制備出了尺度跨度從約40nm納米半球到的尺度約50微米的壓印圖案(圖2)。從這些圖案的高清晰度和保真度可以看出,這種技術可以高效地獲得復雜、多尺度的微納圖案。通過多次壓印,該團隊利用一維光柵實現了木材表面的二維點陣結構。這意味著通過有限的模板類型多次壓印,可以在木材表面制備復雜的圖案和多尺度的復合結構。

圖2展示了使用各種模板在去木質素木材表面的壓印能力。木材表面的圖案可以從納米到數十微米的廣闊范圍。a)大小為40~ 90 nm的納米點的表面圖案;b)表面直徑1.6μm 微米凹球圖案;c)三角形邊長50μm的浮雕;d)NJU標志在木材表面的圖案;e) 2維點陣可以用一個光柵模板重復,以不同的角度在木板上刻印兩次獲得;f)表面有納米光柵的微尺度半球的多尺度復合結構也可以通過雙重壓印來實現。

  該團隊還以木材微透鏡陣列(MLA)展示其潛在的光學材料和技術應用。分別制備了凹透鏡和凸透鏡木材微透鏡陣列,并通過光學顯微鏡成像,如圖3所示,字母“F”的微縮圖像得到了清晰的識別,顯示了木材 MLA具有良好的成像能力。跟傳統制備微透鏡陣列的材料聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)相比,木材MLA具有很好的熱穩定性,在150℃的高溫下,木材MLA沒有任何結構改變仍然具有成像能力。木材表面微納結構的獲得,拓展了木材在環境友好的綠色光學、光電子學等新的科技應用領域。

圖3 木材基微透鏡陣列的展示。a)使用MLA的光學成像裝置原理圖,其中圖像效果以“F”字符為目標進行演示。b) 凸木MLA微球直徑≈6.5μm的SEM照片。插圖是光散射點圖案。它們的周期性排列表明了大范圍內MLA的周期性。c)木MLA的成像效果,其中清晰的字母“F”邊緣清晰可見。d)相比之下,在150°C時PS MLA圖像不清晰。e)凹木MLA也表現出良好的圖像效果。

  以上成果發表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201903270),Nature對該論文進行了Highlight https://www.nature.com/articles/d41586-019-03138-7。論文第一作者為南京大學現代工程與應用科學學院博士生黃大方、碩士吳佳揚,以及美國馬里蘭大學博士后陳朝吉;通訊作者為南京大學祝名偉教授和美國馬里蘭大學胡良兵教授。

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

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(責任編輯:xu)
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