近日，南京大學(xué)祝名偉副教授和美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授合作在木材為原料制備新材料方面又有新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)從自然中尋找靈感，將普通常見的材料變成高性能的先進(jìn)材料。該論文提出了自上而下的新方法，直接利用木材，只需兩步即獲得了各向同性的透明紙。該研究摒棄了傳統(tǒng)方法中必須要用納米纖維素纖維制備透明紙的限制，通過自上而下的制備思想，通過原位去除木材中木質(zhì)素，然后冷壓，制備得到各向同性的透明紙。此透明紙仍然由納米纖維素纖維組成，具有很高的透明度（~90%）,和霧度（>80%），是一種環(huán)境友好、可生物降解的綠色材料，可應(yīng)用在柔性電子、光學(xué)等器件方面。
相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES,論文標(biāo)題為“Isotropic Paper Directly from Anisotropic Wood: Top-Down Green Transparent Substrate Toward Biodegradable Electronics”。
近年來，柔性電子領(lǐng)域的研究異常火熱，使得該領(lǐng)域的發(fā)展日新月異并取得了長足的進(jìn)展。目前柔性電子的襯底材料有透明塑料，柔性玻璃，金屬箔等，其中最常用的還是塑料。眾所周知，塑料給我們帶來便利和繽紛，但因其分子穩(wěn)定，降解周期長使得塑料垃圾正在席卷全球，甚至有人說塑料是唯一可以證明人類存于過地球的證據(jù)。因此迫切需要一種具有透明、柔韌、可自由彎曲甚至折疊、又環(huán)境友好可生物降解的電子器件襯底材料。
納米纖維素纖維因具有透明、強(qiáng)度高、原料豐富、環(huán)境友好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。其中由天然納米纖維素纖維組成的透明紙是目前最有望成為取代傳統(tǒng)電子襯底材料的材料。傳統(tǒng)的制備透明紙的方法是一種自下而上（Bottom-up）的制備方法，它主要包括兩步：首先利用機(jī)械或者化學(xué)的方法將纖維素纖維從木材中分離出來，得到微米纖維素纖維；再通過多步驟處理，形成纖維素納米纖維。這種自下而上制備透明紙的方法的關(guān)鍵技術(shù)是將微米級的纖維素纖維分離成納米級的纖維素纖維，消除纖維素纖維的光散射從而實(shí)現(xiàn)透明。但是納米纖維素纖維的分離、漂洗、濃縮等過程使得這種自下而上的方法低效、昂貴以及環(huán)境不友好。
本文研究者從另一個(gè)角度出發(fā)，摒棄了傳統(tǒng)方法中納米纖維素纖維的制備這一核心步驟，發(fā)展了一種自上而下（Top-down）的制備透明紙的方法（圖1），這種方法不需要納米纖維素纖維的制備過程。它只包括簡單的兩個(gè)步驟：去除木質(zhì)素以消除木質(zhì)素中的有色基團(tuán)對光的吸收；利用壓力將去除木質(zhì)素的木片壓實(shí)，消除散射源達(dá)到光學(xué)均勻性和透明性。相比于傳統(tǒng)自下而上的方法，由于自上而下的方法不再需要納米纖維素纖維的制備、分離和濃縮步驟，因此解決了傳統(tǒng)方法工藝復(fù)雜、耗時(shí)、耗水、耗能的問題。同時(shí)，該方法可推廣到利用草本原料制備透明紙，如竹子、草等，將進(jìn)一步降低透明紙的成本。
圖1 自下而上與自下而上制備透明紙方法的工藝步驟對比
圖2顯示，透明紙可以簡單有效地從木材制備出來，首先將木材切成片狀，去除其木素，然后施加壓力，即可得到具有高透明度和霧度的透明紙。從SEM中可以看到木材和透明紙的微結(jié)構(gòu)具有很大的不同。木材的結(jié)構(gòu)是多空的(圖b)，并且具有取向排列的纖維素纖維，是各向異性的；而透明紙是非常致密的，利用AFM可觀察到其納米纖維素纖維的隨機(jī)排列。由XRD圖也證實(shí)木材是各向異性的，而透明紙是各向同性的。
圖2 木材的各向異性微結(jié)構(gòu)與透明紙的各向同性微結(jié)構(gòu)的對比
圖3 展示了這種自上而下的方法可以通過壓縮比（PR）方便地調(diào)控透明紙的密度從而調(diào)控光學(xué)性質(zhì)。圖中顯示，隨著PR的增大，透明紙的透過率增加，但到達(dá)一定壓縮比后，透過率到達(dá)最大值，基本穩(wěn)定在90%左右；但隨著PR增大，霧度持續(xù)減小，這反映了其中微結(jié)構(gòu)的變化。
圖3 透明紙的壓縮比與光學(xué)性質(zhì)的關(guān)系
圖4展示了各向同性透明紙作為電子器件襯底的一個(gè)應(yīng)用。將透明紙作為石墨烯晶體管襯底材料，其中源-漏極電流隨著源漏極電壓的變化顯示典型的歐姆接觸，源-漏極電流隨著門電壓的變化圖（源漏極電壓為10mV），顯示二極管的典型特性，證明透明紙可以應(yīng)用于柔性透明電子器件襯底材料。這種器件使用后可拋棄，其生物降解特性使其可以回歸自然，不會危害到周圍環(huán)境。
圖4 透明紙作為電子器件襯底的應(yīng)用及其生物可降解展示
圖5對比了本研究的自上而下方法和傳統(tǒng)的自下而上方法制備透明紙的工藝流程。本研究方法工藝簡單，只需兩步，去除木質(zhì)素和冷壓，且涉及化學(xué)藥品僅一種，而傳統(tǒng)方法工藝復(fù)雜，需要多種化學(xué)試劑來制備納米纖維素纖維，再抽濾冷壓。這兩種方法在時(shí)間、化學(xué)試劑、水、能源消耗的對比明顯，且本自上而下的方法工藝簡單，成本低，需要能量少，無需復(fù)雜或者昂貴儀器設(shè)備，且環(huán)境友好。
圖5 本自上而下與傳統(tǒng)的自下而上的透明紙制備方法的詳細(xì)對比
透明紙是一種新材料，典型的方法是日本人發(fā)明的TEMPO方法，其核心工藝是納米纖維素的制備。日本人也將其推向了市場，但其價(jià)格相當(dāng)昂貴，難以普遍使用。本研究將數(shù)量級地降低透明紙的成本，相信在不久的將來，價(jià)格低廉、性能優(yōu)異的透明紙將實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，在可穿戴、可拋棄的柔性電子、光學(xué)、傳感等器件領(lǐng)域大顯身手。
