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東（dōng）北林業大學團隊《Nature Communications》：3D 打印磷光木質（zhì）材料取得突破性進展
發布日（rì）期：2026-03-13 人氣：110
東北林業大（dà）學團隊《Nature Communications》：3D 打印磷光木質材料取得突（tū）破性進展
研（yán）究背景與核心挑戰
在可持續材料科學的前沿（yán）領域，利用可再生生物質資源開發具備室溫磷光（Room-Temperature Phosphorescence, RTP）功能（néng）的智能材料，並實現其精準增材製造，是當前製約生物基光電子器件發（fā）展的核心瓶頸（jǐng）。傳統有機 RTP 材料雖具有結構靈活性與光學可調性，但其製備高度依（yī）賴石油基（jī）原料及複雜合成工藝（yì）。同時，現有成型技術難以實現無模板、一體化的複雜三維結構構（gòu）建，嚴重限製了其在定製化防偽、傳感及智（zhì）能顯示等領域的應用潛力。因此，開發兼具優異磷光性能、可打印性及全生物基特性的可持續材料體係，成為該領域（yù）亟待突破的關（guān）鍵科學問題。
創新成果：全生物基 CX-Wood 材料的成功構建
針對上述技術空白，東北（běi）林業大學李淑君教授、翟迎香副教授團隊聯合巴斯大學 Tony D. James 教授、中南林業科技大學吳義（yì）強院（yuàn）士及天津科技大學司傳領教授，通過精（jīng）準的分子設計（jì）與化學修飾，成功開（kāi）發出一種名為CX-Wood的新型可 3D 打（dǎ）印室溫磷光木質材料。該研（yán）究創新性地（dì）將羧基官能團接枝到天然（rán）木質纖（xiān）維素基質上，並利用（yòng）直接墨水書寫（Direct Ink Writing, DIW）3D 打印技術，實現了複雜三維（wéi）磷光結（jié）構的一體化成型。這一（yī）生物質衍生平台為構建定製化智能發光材料提供了綠色、高（gāo）效（xiào）的全新模（mó）型。相（xiàng）關研究成（chéng）果（guǒ）以（yǐ）題為 “3D-printable phosphorescent woody materials” 發表於（yú）國際頂級（jí）期刊《Nature Communications》。
材料製備與性能表征
研究人員通過羧甲基化反應對天（tiān）然（rán）木粉進行化（huà）學修飾，成功製備了 CX-Wood 前驅體。X 射線光電子能譜（XPS）與傅（fù）裏葉變換紅外光譜（FT-IR）證實，羧基（jī）官能團（-O-C=O）已成功接枝到木質（zhì）素與纖維素分子鏈上。係統優化結果表明，在35℃堿處理 60 分鍾，隨後 80℃進行醚化反（fǎn）應 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（de）全球變（biàn）暖潛（qián）能值（zhí）（GWP）僅為對照樣（yàng）品的 27.6%-56.4%，展現出卓越的環境可持（chí）續性與成本效益。
光學性能與增強機理
CX-Wood 材（cái）料（liào）表（biǎo）現出優異的光學性能（néng）：其熒光發射峰位於 460 nm，室溫磷光發射峰位於 505 nm。與天然木材相比，CX-Wood 的磷光強度與（yǔ）壽（shòu）命顯著提升，最（zuì）長餘輝時間可達1.2 秒。研究表明，羧酸基團的取代度是調控磷光性能的核心因素：當取代度從 0.066 提升（shēng）至 0.5760 時（shí），磷光壽命（mìng）從 35.4 ms 延長至 358.7 ms，量子產率從 0.93% 提高至 4.60%。
機（jī）理研究揭示（shì），化學改性主要通過以下雙（shuāng）重機製增強磷光（guāng）發（fā）射：
- 氫鍵網絡加固：改性後纖維素鏈的無（wú）定形重排，增強了分子內氫鍵相互作用，構建了剛（gāng）性的微環境，有效抑製了非（fēi）輻射躍遷。
- 自（zì）旋 - 軌道耦（ǒu）合增強：羧（suō）基中 C=O 基團（tuán）的 n-π* 電子躍遷促進了自旋 - 軌道耦合，加速了單重態到三線態的係間竄越（Intersystem Crossing, ISC），從而增加了三線態激子的布（bù）居率。
此外，CX-Wood 的磷光性能對溫（wēn）度（dù）、濕度及激發波長具有良好的響應特（tè）性，且經過多（duō）次 “幹燥 - 加（jiā）濕” 循環後性能保持穩（wěn）定（dìng），表（biǎo）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（gōng）適配（pèi） DIW 3D 打印技術。流變學測試表明（míng），該墨水呈現典型的剪切變稀（假塑性）行為：屈服應力下具備 5.7 kPa 的高彈性，可在低剪切（qiē）應力下順利擠出，擠出後迅速固化（huà）定型，實現了 90% 以上的形貌保真度。研究證實，該策略適（shì）用於雪鬆、鬆木、楊（yáng）木、柚木等十餘種不同天（tiān）然木材，具備廣泛的普適性。
打印所得的三維結構不僅保留了強而持（chí）久的綠色餘輝，還可通過引入硼砂進一步延（yán）長餘輝（huī）至 8 秒，或通過（guò）能量轉移策略調控發（fā）射波長至紅色區域。值（zhí）得一提的是，該打印材料具有可水溶性回收再利用的特性（xìng），在完成使命後可通過水處理降解回收，實現了材料全生命（mìng）周期的綠色閉環。
總結與展望
本研究成功將天（tiān）然（rán）木（mù）材高效轉化為（wéi） CX-Wood，賦予（yǔ）其增強的室溫磷光性能與 3D 打印適配性。該技術路（lù）線摒棄了傳統（tǒng）的物理共混策略，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（bèi）過程可持續、便捷且（qiě）成本低廉，為建築、家具、智能防偽、柔性電子等（děng）領域開（kāi）辟了全新的應用前景，為可持（chí）續結構功能材料（liào）的發展提供了（le）創新（xīn）思路與技術範式。
