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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
发布日期:2026-03-13 11:25:28
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
研究背景与核心挑战
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。
创新成果:全生物基 CX-Wood 材料的成功构建
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》。
材料制备与性能表征
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。
光学性能与增强机理
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:
- 氢键网络加固:改性后纤维素链的无定形重排,增强了分子内氢键相互作用,构建了刚性的微环境,有效抑制了非辐射跃迁。
- 自旋 - 轨道耦合增强:羧基中 C=O 基团的 n-π* 电子跃迁促进了自旋 - 轨道耦合,加速了单重态到三线态的系间窜越(Intersystem Crossing, ISC),从而增加了三线态激子的布居率。
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。
3D 打印工艺与应用前景
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。
总结与展望
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。





