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東北林業（yè）大學團隊《Nature Communications》：3D 打印磷光木質材料取得突破性進展
發布日期：2026-03-13 人氣：104
東（dōng）北林（lín）業大學團隊《Nature Communications》：3D 打印磷（lín）光木質（zhì）材料取得突（tū）破性進（jìn）展
研究背景（jǐng）與核心挑戰
在可（kě）持續材料科學的前沿領域，利用可再生（shēng）生物（wù）質資源（yuán）開發具備（bèi）室溫磷光（Room-Temperature Phosphorescence, RTP）功能的智（zhì）能材料，並實現其精準增材製造，是當前（qián）製約生物基光電子器件發展的（de）核心（xīn）瓶頸。傳統有機 RTP 材料雖具有結構靈活性與光（guāng）學（xué）可調性，但其製備高度依賴石油基原料（liào）及複雜合成工藝。同時，現（xiàn）有成型技術（shù）難以實現無模板、一體化的複雜三維結構構建，嚴重限製了其在定（dìng）製化防偽、傳感及智能顯示等領域的應用潛力。因此，開發兼具優異（yì）磷光性能、可（kě）打印性及全生物（wù）基特性的可持續材料體係，成為（wéi）該領域亟待突（tū）破的關鍵科學問題。
創新成果：全生物基 CX-Wood 材料的成功（gōng）構建
針對上述技術空白，東北林業大學李淑君教授、翟迎香副教授團隊聯（lián）合巴（bā）斯大學（xué） Tony D. James 教授、中南林業（yè）科技大學吳（wú）義強（qiáng）院士及天（tiān）津科技大學司傳領教授，通過精準的分（fèn）子設計與（yǔ）化學修飾，成功開發出一種名為CX-Wood的新型可 3D 打印室溫磷光木質材料。該研究創新性地將羧（suō）基官能團（tuán）接枝到天然木質纖維素基質上（shàng），並利用直接墨水書寫（xiě）（Direct Ink Writing, DIW）3D 打印技術，實現（xiàn）了複雜三維磷光結構的一體（tǐ）化成型。這一生物質衍生平台為構（gòu）建定製化智能發光材料（liào）提供了綠色、高（gāo）效的全新模型。相關研究成果以題為 “3D-printable phosphorescent woody materials” 發表於國際頂級期刊（kān）《Nature Communications》。
材料製（zhì）備與性能表征（zhēng）
研究人員通（tōng）過羧甲（jiǎ）基化反應對天然木粉進行化學修飾（shì），成功製備了 CX-Wood 前驅體（tǐ）。X 射（shè）線（xiàn）光電子能譜（XPS）與傅裏葉變換紅外光譜（FT-IR）證實，羧基官能團（tuán）（-O-C=O）已成功接（jiē）枝到木質素與纖維素分（fèn）子鏈（liàn）上。係統優化（huà）結果表明，在35℃堿處理 60 分鍾，隨後 80℃進行醚化（huà）反應（yīng） 90 分鍾的條件下，可獲得最佳取代度。生命周期評估顯示，CX-Wood 墨水的全球變暖潛能值（GWP）僅為對照樣品（pǐn）的 27.6%-56.4%，展現出（chū）卓越的環境可持續性與（yǔ）成本效益。
光學性能與（yǔ）增強機理
CX-Wood 材料表現出優異的光學性能：其熒光發射峰位於 460 nm，室（shì）溫磷光發射峰（fēng）位於 505 nm。與天然木材相比（bǐ），CX-Wood 的磷光強度與（yǔ）壽命顯著提升，最長餘輝時間（jiān）可達（dá）1.2 秒。研究表明，羧酸基團的取代度是調控磷光性（xìng）能的核心因素：當取代度從 0.066 提升至 0.5760 時，磷光壽命從 35.4 ms 延長至 358.7 ms，量子產率從 0.93% 提高至 4.60%。
機理研究揭示，化學改性主要通過以下雙重機製（zhì）增強磷（lín）光發射：
- 氫鍵網絡加固：改性後纖（xiān）維素鏈（liàn）的無定形重（chóng）排，增強了分子內氫鍵相互作用，構建了（le）剛性的微環境，有效抑製了非輻（fú）射（shè）躍遷。
- 自旋 - 軌道耦合增強：羧基中（zhōng） C=O 基團的 n-π* 電子躍遷促進了（le）自旋 - 軌道（dào）耦（ǒu）合，加（jiā）速了單重態到三（sān）線態的係（xì）間竄越（Intersystem Crossing, ISC），從而增加了三線態激（jī）子的布居率。
此外，CX-Wood 的磷光（guāng）性能對溫度、濕（shī）度及激發波（bō）長具有良好的響應特性，且經過多次（cì） “幹燥 - 加濕” 循環後性能保持穩定，表明其具備優異的光學穩定性。
3D 打印工藝與應用前景
得益於優異的流變性能，CX-Wood 水分散體成功適配（pèi） DIW 3D 打印技術。流變學測試表（biǎo）明，該（gāi）墨（mò）水呈現典型的（de）剪（jiǎn）切變稀（假塑性）行為：屈服應力下具備（bèi） 5.7 kPa 的高彈性，可在低剪切應（yīng）力下順利擠出（chū），擠出後迅速固化定型，實現了 90% 以（yǐ）上（shàng）的形貌（mào）保真度。研究證實，該策（cè）略適用於（yú）雪鬆、鬆木、楊木（mù）、柚木（mù）等（děng）十餘種不同天然木材，具備廣泛的普適性。
打（dǎ）印所得（dé）的三維結構（gòu）不（bú）僅（jǐn）保（bǎo）留了強而持久的綠色餘輝（huī），還（hái）可通過引入硼砂（shā）進一步延（yán）長餘輝至 8 秒，或通過（guò）能量轉移策略調控發射波長至紅色區域。值得一提的是，該打印材料具有可（kě）水（shuǐ）溶性回收再利用（yòng）的（de）特性，在完成使命後可通過水處理（lǐ）降解回收，實現了材料全生命周期的綠色閉（bì）環。
總結與展（zhǎn）望
本研究成功將天然（rán）木材高效轉化為（wéi） CX-Wood，賦予其增強的室（shì）溫磷光性能與 3D 打印適配性。該技術路線摒棄（qì）了傳統（tǒng）的物理（lǐ）共混策略，實現了從可再生（shēng）生物質資源到高性能光電子材料的一步式轉化。相較於現有技術，CX-Wood 材料製備過程可持續、便捷且成本低廉，為建築、家（jiā）具、智能防偽、柔性電子等領域（yù）開辟了全新的應用前景，為可持（chí）續結構功（gōng）能材料的（de）發展提供了創新思路與技術範式。
