10.20 《Nature》木頭已經不再是那個木頭啦

木頭已經不再是那個木頭啦，科學家們通過研究正賦予它越來越多功能。最近，南京大學現代工程與應用科學學院

祝名偉副教授、美國馬里蘭大學胡良兵教授，首次實現了木材表面的微納結構，展示了其表面納米圖案的製備能力，突破了木材傳統的應用領域。該成果以《Precision Imprinted Nanostructural Wood》為題發表在材料類著名期刊Advanced Materials。

同時，Nature以“Don’t knock wood: an ordinary material goes high-tech”進行了“Highlight”報道：“中國南京大學的祝名偉、馬里蘭大學的胡良兵及其同事將壓印技術應用於木纖維，所得材料可以作為塑料的豐富替代品，如印有微觀圖案的木片可以用作微透鏡陣列”。

報道鏈接：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03138-7

提升天然材料的功能和性能，拓展其現代應用，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，且來源豐富。然而，長期以來，植物作為生命體受限於生長尺寸、缺陷、兼顧生命需求等，其性能不能滿足現代需求，從而使得其應用長期侷限於傳統的建築、傢俱等領域。表面微納結構是很多光學、光子學等器件的基礎，在木材的表面實現微納結構的調控，將實現其光學、光子學等材料和器件的應用，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形成納米結構。此外，木材的主要構成材料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。

圖1 木材的表面微納結構的實現

針對上述研究目標和挑戰，該團隊基於木材及其纖維分級結構特點，通過部分去除木質素使微纖絲之間可移動，獲得木材的類似塑性的力學特性，並在室溫、潮溼條件下對木材表面進行納米壓印，然後通過乾燥重新形成纖維間的氫鍵，從而將微納結構完整、精確地複製到木材表面，實現了木材表面結構的尺寸範圍從納米到微米大跨度的圖案的製備與調控。

該團隊通過使用不同的模板，成功製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複雜、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，可以在木材表面製備複雜的圖案和多尺度的複合結構。

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範圍。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標誌在木材表面的圖案；e) 2維點陣可以用一個光柵模板重複，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複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。分別製備了凹透鏡和凸透鏡木材微透鏡陣列，並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PS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開闢和拓寬了木材在新科技應用領域如生物降解和綠色光學、生物學和電子學等的應用可能性。

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。它們的週期性排列表明瞭大範圍內MLA的週期性。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。

論文第一作者為南京大學現代工程與應用科學學院陳延峰教授18級博士生黃大方、碩士吳佳揚，以及美國馬里蘭大學博士後陳朝吉；通訊作者為南京大學祝名偉副教授和美國馬里蘭大學胡良兵教授。（來源：材料科學與工程公眾號、南京大學、Nature官網）