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  木材是人類最古老的材料之一，千百年來，主要應(yīng)用在家具、人造板、建筑等傳統(tǒng)領(lǐng)域中。隨著木材科學(xué)與材料科學(xué)的逐步發(fā)展，木材自身的潛力逐步被研究人員挖掘出來，透明木材的問世則進(jìn)一步顛覆人們對木材的認(rèn)知。目前，透明木材的制備不管是采用甲基丙烯酸甲酯預(yù)聚物還是環(huán)氧樹脂浸入脫除木質(zhì)素的木材骨架結(jié)構(gòu)中，制備得到的透明木材都是剛性材料，極大地限制了這種材料在柔性電子、可穿戴器件等柔性領(lǐng)域的應(yīng)用。如何進(jìn)一步突破木材的高附加值，是木材科學(xué)和材料科學(xué)研究人員共同追求的目標(biāo)。

  夜光蟲是一類生活在海水中的原生動(dòng)物，它們在夜間由于海水波動(dòng)的刺激能發(fā)光。受到海邊夜光蟲機(jī)械刺激發(fā)光功能的啟發(fā)，中國林科院木材所研究人員研制出具有發(fā)光和電容雙響應(yīng)的超柔性透明木材電子皮膚，該電子皮膚采用40秒固化成型的超柔性透明木材薄膜為透明電極材料，此項(xiàng)研究成果發(fā)表在國際期刊Chemical Engineering Journal（影響因子IF=13.27，DOI：10.1016/j.cej.2021.132152），同時(shí)還收到封面論文發(fā)表的邀請，本文第一作者是唐啟恒副研究員，鄒淼博士研究生、常亮副研究員參與本項(xiàng)工作，郭文靜研究員是本文通訊作者。

Figure 1 超柔性透明木材電子皮膚應(yīng)用示意圖

  當(dāng)前制備透明木材通常采用輕木為原材料，輕木雖然具有天然的優(yōu)勢，但這種木材主要盛產(chǎn)美洲。速生楊是我國重要的經(jīng)濟(jì)林樹種，生長快、產(chǎn)量高，如果能得到更高附加值的應(yīng)用，對我國木材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將具有重要的意義。

  眾所周知，環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中具有大量羥基官能團(tuán)，正是這個(gè)基團(tuán)使得研究人員可以通過高分子化學(xué)這把“手術(shù)刀”對環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而賦予其更多的性能。前期，研究小組人員正是基于這個(gè)角度考慮，采用柔性聚氨酯預(yù)聚物對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，從而制備出柔性的環(huán)氧樹脂，再將其浸漬入脫除木質(zhì)素的薄片木材骨架結(jié)構(gòu)中，固化得到的透明木材具有很好的柔性，于是研究小組提出“柔性透明木材”的概念，并將柔性透明木材制成薄膜，探索將其應(yīng)用于柔性透明電極、手機(jī)屏幕等領(lǐng)域中（Nanoscale，2018,10,4344-4353），柔性透明木材已經(jīng)獲得國家授權(quán)發(fā)明專利。

  基于前期基礎(chǔ)，研究小組人員將聚乙二醇二丙烯酸酯柔性材料浸入脫除木質(zhì)素的超薄型楊木骨架中，開發(fā)紫外照射40秒固化的超柔性透明木材薄膜，將該薄膜作為透明電極，與含有ZnS：Cu（電致發(fā)光材料）的金字塔結(jié)構(gòu)陣列的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜敏感層，按三明治結(jié)構(gòu)組裝成兼具發(fā)光和電容響應(yīng)的雙模式超柔性透明木材電子皮膚。

Figure 2 超柔性透明木材電子皮膚制備過程

  電子皮膚是模仿生物皮膚（人或者其他生物體）感知周圍環(huán)境并對環(huán)境刺激進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)的傳感器，傳感器可將刺激轉(zhuǎn)換成信號指導(dǎo)受體模仿生物做出相應(yīng)的動(dòng)作。電子皮膚一般采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）這種材料作為柔性透明電極，然而這種材料因?yàn)镻DMS質(zhì)地過于柔軟，在外界輕微壓力刺激下即可變形，從而不能將輕微壓力傳遞給電子皮膚敏感層，從而大大降低這種材料的低壓敏感性。采用柔性環(huán)氧樹脂制備的柔性透明木材薄膜雖然具有一定的柔韌性（彎曲直徑11mm），但是應(yīng)用于電子皮膚領(lǐng)域，其柔韌性仍然不夠。于是，研究小組人員選擇聚乙二醇二丙烯酸酯替代柔性環(huán)氧樹脂，可制得超柔性透明木材薄膜，其彎曲直徑為2mm。薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的木材骨架又賦予其一定程度的剛性，從而非常有利于將輕微壓力傳遞給敏感層。

Figure 3 超柔性透明木材電子皮膚電極層、敏感層以及組裝示意圖

  該電子皮膚的工作原理是：當(dāng)皮膚表層受到外界壓力刺激時(shí)，透明木材薄膜在壓力作用下擠壓金字塔結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿嵝酝该髂静谋∧べ|(zhì)地比PDMS硬，因此該材料可以很好低將輕微壓力傳遞給敏感層，壓力下雙側(cè)電極間距變小，電容發(fā)生變化，從而賦予其很好的電容敏感性；此外，當(dāng)雙側(cè)電極間距變小時(shí)，在外電場激發(fā)下，ZnS：Cu可發(fā)光，壓力越大，發(fā)光強(qiáng)度越強(qiáng)，從而賦予其很好的發(fā)光敏感性。

  在輕微壓力作用下（5<kPa），電子皮膚的電容發(fā)生顯著的變化，其低壓敏感性高達(dá)1.01 kpa^-1；當(dāng)壓力為5-80 KPa時(shí)，電容變化敏感性降低，而透明木材電子皮膚的發(fā)光敏感性顯著增強(qiáng)，因此具有很好的中壓敏感性（1.28 KPa^-1）；當(dāng)外界壓力作用于人體組織時(shí)，人體感受到疼痛時(shí)壓力約為80 KPa，該電子皮膚在大于80 KPa壓力下還保持0.15 KPa^-1的敏感性，顯示出較好的疼痛感知性能。

Figure 4 超柔性透明木材電子皮膚刺激響應(yīng)機(jī)理

Figure 5 超柔性透明木材電子皮膚的敏感性能以及應(yīng)用

  超柔性透明木材電子皮膚的研制，進(jìn)一步推動(dòng)了木材的高附加值利用，也為電子皮膚綠色化發(fā)展提供良好基礎(chǔ)。該項(xiàng)工作得到國家自然科學(xué)基金（31800484）項(xiàng)目的支持。

  研究小組長期以來對透明木質(zhì)類材料開展大量研究，目前還研制出快速制備大幅面透明木（竹）材、高強(qiáng)度透明木（竹材）、超薄透明木材、柔性透明竹材等一系列新型木基復(fù)合材料。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132152