东北林业大学团队《Nature Communications》：3D 打印磷光木质材料取得突破性进展

 

 

在可持续材料科学的前沿领域，利用可再生生物质资源开发具备室温磷光（Room-Temperature Phosphorescence, RTP）功能的智能材料，并实现其精准增材制造，是当前制约生物基光电子器件发展的核心瓶颈。传统有机 RTP 材料虽具有结构灵活性与光学可调性，但其制备高度依赖石油基原料及复杂合成工艺。同时，现有成型技术难以实现无模板、一体化的复杂三维结构构建，严重限制了其在定制化防伪、传感及智能显示等领域的应用潜力。因此，开发兼具优异磷光性能、可打印性及全生物基特性的可持续材料体系，成为该领域亟待突破的关键科学问题。

 

 

针对上述技术空白，东北林业大学李淑君教授、翟迎香副教授团队联合巴斯大学 Tony D. James 教授、中南林业科技大学吴义强院士及天津科技大学司传领教授，通过精准的分子设计与化学修饰，成功开发出一种名为CX-Wood的新型可 3D 打印室温磷光木质材料。该研究创新性地将羧基官能团接枝到天然木质纤维素基质上，并利用直接墨水书写（Direct Ink Writing, DIW）3D 打印技术，实现了复杂三维磷光结构的一体化成型。这一生物质衍生平台为构建定制化智能发光材料提供了绿色、高效的全新模型。相关研究成果以题为 “3D-printable phosphorescent woody materials” 发表于国际顶级期刊《Nature Communications》。

 

 

研究人员通过羧甲基化反应对天然木粉进行化学修饰，成功制备了 CX-Wood 前驱体。X 射线光电子能谱（XPS）与傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实，羧基官能团（-O-C=O）已成功接枝到木质素与纤维素分子链上。系统优化结果表明，在35℃碱处理 60 分钟，随后 80℃进行醚化反应 90 分钟的条件下，可获得最佳取代度。生命周期评估显示，CX-Wood 墨水的全球变暖潜能值（GWP）仅为对照样品的 27.6%-56.4%，展现出卓越的环境可持续性与成本效益。

 

 

CX-Wood 材料表现出优异的光学性能：其荧光发射峰位于 460 nm，室温磷光发射峰位于 505 nm。与天然木材相比，CX-Wood 的磷光强度与寿命显著提升，最长余辉时间可达1.2 秒。研究表明，羧酸基团的取代度是调控磷光性能的核心因素：当取代度从 0.066 提升至 0.5760 时，磷光寿命从 35.4 ms 延长至 358.7 ms，量子产率从 0.93% 提高至 4.60%。

 

机理研究揭示，化学改性主要通过以下双重机制增强磷光发射：

 

 

此外，CX-Wood 的磷光性能对温度、湿度及激发波长具有良好的响应特性，且经过多次 “干燥 - 加湿” 循环后性能保持稳定，表明其具备优异的光学稳定性。

 

 

得益于优异的流变性能，CX-Wood 水分散体成功适配 DIW 3D 打印技术。流变学测试表明，该墨水呈现典型的剪切变稀（假塑性）行为：屈服应力下具备 5.7 kPa 的高弹性，可在低剪切应力下顺利挤出，挤出后迅速固化定型，实现了 90% 以上的形貌保真度。研究证实，该策略适用于雪松、松木、杨木、柚木等十余种不同天然木材，具备广泛的普适性。

 

打印所得的三维结构不仅保留了强而持久的绿色余辉，还可通过引入硼砂进一步延长余辉至 8 秒，或通过能量转移策略调控发射波长至红色区域。值得一提的是，该打印材料具有可水溶性回收再利用的特性，在完成使命后可通过水处理降解回收，实现了材料全生命周期的绿色闭环。

 

 

本研究成功将天然木材高效转化为 CX-Wood，赋予其增强的室温磷光性能与 3D 打印适配性。该技术路线摒弃了传统的物理共混策略，实现了从可再生生物质资源到高性能光电子材料的一步式转化。相较于现有技术，CX-Wood 材料制备过程可持续、便捷且成本低廉，为建筑、家具、智能防伪、柔性电子等领域开辟了全新的应用前景，为可持续结构功能材料的发展提供了创新思路与技术范式。