1研究背景
透明薄膜在光電子學(xué)和微流體器件中應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)材料如玻璃和塑料雖性能穩(wěn)定，但均為各向同性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定向光傳輸或液體導(dǎo)向。近年來(lái)，纖維素納米纖維（CNFs）因其可降解性和高機(jī)械強(qiáng)度成為研究熱點(diǎn)，但現(xiàn)有制備方法復(fù)雜、能耗高，且會(huì)破壞天然木材中CNFs的定向排列。本研究提出了一種簡(jiǎn)單高效的方法，通過(guò)脫木質(zhì)素和機(jī)械壓制，直接將木材轉(zhuǎn)化為各向異性的透明薄膜。這種薄膜不僅保留了天然木材中CNFs的定向排列，還展現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)、機(jī)械和液體傳輸性能，為綠色電子和微流體器件開(kāi)辟了新路徑。
2本文要點(diǎn)
1.簡(jiǎn)單高效的制備工藝。通過(guò)兩步法（脫木質(zhì)素+機(jī)械壓制）將木材轉(zhuǎn)化為透明薄膜，保留了天然木材中CNFs的高度定向排列，工藝簡(jiǎn)單且能耗低，適合規(guī)模化生產(chǎn)。
2.卓越的各向異性性能。薄膜在定向光傳輸中透光率高達(dá)90%，光強(qiáng)比達(dá)350%；機(jī)械強(qiáng)度達(dá)350 MPa，是隨機(jī)排列CNFs薄膜的3倍；還能實(shí)現(xiàn)液體的定向傳輸，為微流體器件設(shè)計(jì)提供了新思路。
3.多領(lǐng)域應(yīng)用潛力。研究團(tuán)隊(duì)展示了基于該薄膜的電解質(zhì)門控MoS?晶體管，通過(guò)定向液體傳輸觸發(fā)電路，驗(yàn)證了其在柔性電子和微流體器件中的實(shí)際應(yīng)用潛力。
圖1.木材通過(guò)脫木質(zhì)素和機(jī)械壓制兩步法轉(zhuǎn)化為透明薄膜的示意圖及實(shí)物照片
圖2.脫木質(zhì)素木材和透明薄膜的微觀結(jié)構(gòu)表征，顯示CNFs的定向排列
圖3.薄膜各向異性液體傳輸性能及在MoS?晶體管中的應(yīng)用演示
圖4.薄膜的各向異性光學(xué)和機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果
圖5.通過(guò)調(diào)整木材切割方向調(diào)控薄膜CNFs排列角度的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果
研究結(jié)論
本研究首次通過(guò)脫木質(zhì)素和機(jī)械壓制，成功將天然木材轉(zhuǎn)化為各向異性透明薄膜，并保留了CNFs的定向排列結(jié)構(gòu)。這種薄膜在光學(xué)、機(jī)械和液體傳輸性能上表現(xiàn)出顯著的各向異性，透光率高、機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異，并能實(shí)現(xiàn)液體的定向傳輸。分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了CNFs排列對(duì)力學(xué)性能的增強(qiáng)機(jī)制。此外，研究團(tuán)隊(duì)還演示了該薄膜在微流體觸發(fā)電路中的應(yīng)用，展現(xiàn)了其在綠色電子和納米流體器件中的廣闊前景。這項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)單、高效且環(huán)保，為可持續(xù)功能材料的開(kāi)發(fā)提供了新思路。
4文章信息
Mingwei Zhu, Yilin Wang, Shuze Zhu, Lisha Xu, Chao Jia, Jiaqi Dai, Jianwei Song, Yonggang Yao, Yanbin Wang, Yongfeng Li, Doug Henderson, Wei Luo, Heng Li, Marilyn L. Minus, Teng Li, Liangbing Hu*. Advanced Materials, 29, 1606284 (2017).
https://doi.org/10.1002/adma.201606284
