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东北林业大学团队《Nature Communications》：3D 打印磷光木（mù）质材料取得突（tū）破性进展
发布日期：2026-03-13 人气：115
东北（běi）林业大学团队《Nature Communications》：3D 打印磷（lín）光木质材料取得突破性进展
研究背（bèi）景与（yǔ）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（zhì）资源开发具备室温磷光（Room-Temperature Phosphorescence, RTP）功能的智（zhì）能材料，并实现其精（jīng）准增材（cái）制造（zào），是当前制约生物基光电子器（qì）件发展的核心瓶颈。传统（tǒng）有机（jī） RTP 材料虽具有结构灵（líng）活性与光学可调性，但其制备高度（dù）依赖（lài）石（shí）油基原料及（jí）复杂合成工艺（yì）。同时，现有成型技术难以（yǐ）实现无模板（bǎn）、一（yī）体（tǐ）化的复杂三维结构构（gòu）建（jiàn），严重限制了其在定（dìng）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（yōu）异（yì）磷光性能、可打印性及全生物基特性的可持（chí）续材料体系，成为该领域亟待突破的（de）关键科学问题。
创新成果：全（quán）生物基（jī） CX-Wood 材料的成功构建
针对上述技术空白，东北林业（yè）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（dà）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（jié）构的一体化成型。这一生物质衍（yǎn）生平（píng）台（tái）为构建定（dìng）制化智（zhì）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（tí）为 “3D-printable phosphorescent woody materials” 发表于国际顶级期刊《Nature Communications》。
材料制（zhì）备与性能表征
研（yán）究人员通过羧甲基化反应对天然木粉进（jìn）行化学修饰，成功制备了 CX-Wood 前驱体。X 射线（xiàn）光（guāng）电子能谱（XPS）与傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实，羧基官（guān）能团（-O-C=O）已成功接枝到木质素与纤维素（sù）分子链上。系统（tǒng）优化结果表明（míng），在35℃碱处理（lǐ） 60 分钟，随（suí）后 80℃进行醚化（huà）反（fǎn）应（yīng） 90 分钟的条件下，可获得最佳取代度（dù）。生命（mìng）周（zhōu）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（chū）卓越的环境可持续性与成本效益。
光学性（xìng）能与（yǔ）增强机（jī）理
CX-Wood 材料表现出优（yōu）异的光学性能（néng）：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（mìng）显著提升，最长余辉时间可达1.2 秒。研究（jiū）表明，羧酸基团的取代度是调控（kòng）磷光性（xìng）能的核心因（yīn）素：当取代度从 0.066 提（tí）升至（zhì） 0.5760 时，磷光寿命从 35.4 ms 延长至 358.7 ms，量子产率（lǜ）从 0.93% 提高至 4.60%。
机理研究揭（jiē）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（jiā）固：改性后纤维素（sù）链的无定形重（chóng）排（pái），增强了分子内（nèi）氢键相互作用，构建了刚性的（de）微（wēi）环境，有效抑制了非辐（fú）射跃迁。
- 自旋 - 轨道耦（ǒu）合增强：羧基（jī）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（dào）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（wēn）度、湿度及激发波长具有良（liáng）好的响（xiǎng）应特性，且经过多次 “干燥 - 加湿（shī）” 循环后性能保持稳定，表明其（qí）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（tǐ）成功适配 DIW 3D 打印技术。流（liú）变学测试表明，该墨水呈现典型的剪切变（biàn）稀（假塑性）行为：屈服应力下具备 5.7 kPa 的高弹性，可在低（dī）剪切应力下顺利挤出，挤出后迅（xùn）速固化定型，实现了 90% 以上的形貌保真度。研究证（zhèng）实，该策略（luè）适用于雪松（sōng）、松木（mù）、杨木、柚木等十（shí）余种不同天然木材，具备广泛的普适性。
打印所得的三（sān）维结构不仅保留了强而持久的绿色余辉，还可通（tōng）过引入硼砂进一步延长（zhǎng）余辉至 8 秒，或通过能量转移策略调（diào）控发射波长至红色区域。值得一提的是，该打印材（cái）料具有可（kě）水溶性回收再利用的特性，在完成使命后可通过水（shuǐ）处理降（jiàng）解回收，实现了材料全生命周期的绿色闭环。
总结与展望（wàng）
本研究成功将天然木材高效（xiào）转化为 CX-Wood，赋予（yǔ）其增强的室温磷光性能与 3D 打（dǎ）印适配性（xìng）。该技术路线（xiàn）摒（bìng）弃了传统的物理共混策略，实现了从可再（zài）生生物质（zhì）资源到高（gāo）性能光电子材（cái）料的一步式转化。相较于现有技（jì）术，CX-Wood 材（cái）料制备过程可持（chí）续、便捷且成本低廉，为建筑、家具、智能防伪、柔（róu）性电子等领域开辟了（le）全（quán）新的应用前景，为可持续（xù）结构功（gōng）能材料的发展提供了创新思路与技术范式。
