我院祝名伟副教授在精密压印纳米结构木材取得进展

我院祝名伟副教授联合美国马里兰大学胡良兵教授,首次实现了木材表面的微纳结构,展示了其表面纳米图案的制备能力,突破了木材传统的应用领域。该成果以《Precision Imprinted Nanostructural Wood》为题发表在材料类著名期刊Advanced Materials

1 木材的表面微纳结构的实现


提升天然材料的功能和性能,拓展其现代应用,将对社会的可持续发展起到重要的推动作用。木材具有良好的生物降解性,且来源丰富。然而,长期以来,植物作为生命体受限于生长尺寸、缺陷、兼顾生命需求等,其性能不能满足现代需求,从而使得其应用长期局限于传统的建筑、家具等领域。表面微纳结构是很多光学、光子学等器件的基础,在木材的表面实现微纳结构的调控,将实现其光学、光子学等材料和器件的应用,发展完全生物降解、可抛弃的环境友好材料与器件。然而,木材是由纵向排列的细胞构成的多孔结构,微米尺度的粗糙表面难以形成纳米结构。此外,木材的主要构成材料天然纤维素没有热塑性。因此,在木材表面实现精密的微纳结构仍是一个挑战。

针对上述研究目标和挑战,该团队基于木材及其纤维分级结构特点,通过部分去除木质素使微纤丝之间可移动,获得木材的类似塑性的力学特性,并在室温、潮湿条件下对木材表面进行纳米压印,然后通过干燥重新形成纤维间的氢键,从而将微纳结构完整、精确地复制到木材表面,实现了木材表面结构的尺寸范围从纳米到微米大跨度的图案的制备与调控。

该团队通过使用不同的模板,成功制备出了尺度跨度从约40nm纳米半球到的尺度约50微米的压印图案(图2。从这些图案的高清晰度和保真度可以看出,这种技术可以高效地获得复杂、多尺度的微纳图案。通过多次压印,该团队利用一维光栅实现了木材表面的二维点阵结构。这意味着通过有限的模板类型多次压印,可以在木材表面制备复杂的图案和多尺度的复合结构。

2展示了使用各种模板在去木质素木材表面的压印能力。木材表面的图案可以从纳米到数十微米的广阔范围。a)大小为40~ 90 nm的纳米点的表面图案;b)表面直径1.6μm 微米凹球图案;c)三角形边长50μm的浮雕;d)NJU标志在木材表面的图案;e) 2维点阵可以用一个光栅模板重复,以不同的角度在木板上刻印两次获得;f)表面有纳米光栅的微尺度半球的多尺度复合结构也可以通过双重压印来实现。

3 木材基微透镜阵列的展示。a)使用MLA的光学成像装置原理图,其中图像效果以“F”字符为目标进行演示。b) 凸木MLA微球直径≈6.5μmSEM照片。插图是光散射点图案。它们的周期性排列表明了大范围内MLA的周期性。c)MLA的成像效果,其中清晰的字母“F”边缘清晰可见。d)相比之下,在150°CPS MLA图像不清晰。e)凹木MLA也表现出良好的图像效果。

该团队还以木材微透镜阵列(MLA)展示其潜在的光学材料和技术应用。分别制备了凹透镜和凸透镜木材微透镜阵列,并通过光学显微镜成像,如图3所示,字母“F”的微缩图像得到了清晰的识别,显示了木材 MLA具有良好的成像能力。跟传统制备微透镜阵列的材料PS相比,木材MLA具有很好的热稳定性,在150℃的高温下,木材MLA没有任何结构改变仍然具有成像能力。木材表面微纳结构的获得开辟和拓宽了木材在新科技应用领域如生物降解和绿色光学、生物学和电子学等的应用可能性。

该论文得到了Nature的“Highlight”。论文第一作者为我院陈延峰教授18级博士生黄大方、硕士吴佳扬,以及美国马里兰大学博士后陈朝吉;通讯作者为南京大学祝名伟副教授和美国马里兰大学胡良兵教授,该论文同时得到了我院葛海雄教授和袁长胜副教授的大力支持。