基于天然木材制备各向异性透明纳米纤维素薄膜的研究报告

作者及发表信息
本研究由Mingwei Zhu、Yilin Wang、Shuze Zhu等多名学者合作完成，通讯作者为Liangbing Hu（马里兰大学）。研究成果发表于《Advanced Materials》期刊2017年第29卷第21期，文章标题为“Anisotropic, Transparent Films with Aligned Cellulose Nanofibers”，首次在线发表于2017年3月29日，DOI编号10.1002/adma.201606284，目前被引用235次。

学术背景
本研究属于纳米材料与绿色电子器件交叉领域。传统透明薄膜（如玻璃和塑料）为各向同性材料，其光学和力学性能与方向无关，限制了其在微流体和光电器件中的创新应用。尽管近年开发的纤维素纳米纤维（Cellulose Nanofibers, CNFs）透明薄膜具有生物可降解性，但其制备过程通常破坏天然木材中CNFs的定向排列，导致材料失去各向异性。本研究的目标是通过简化工艺，直接从木材中保留CNFs的天然取向，制备兼具高透明度、力学强度和定向液体传输能力的各向异性薄膜，为新型绿色电子和微流体器件提供材料基础。

研究流程与方法
1. 材料制备
- 原料处理：选用硬木（椴木）和软木（松木）切片（2英寸×2英寸），沿木材生长方向切割以保留宏观通道排列。
- 脱木质素（Delignification）：将木材浸泡于次氯酸钠（NaClO）溶液（木材与溶液质量比1:40）中3–5小时，去除显色木质素，形成白色多孔结构。此步骤关键是通过化学处理保留木材中CNFs的原始排列（微纤丝角MFA）。
- 机械压制：将脱木质素后的木材覆盖微孔滤膜，在压力下压缩1–3小时，厚度减少约5倍，形成致密透明薄膜（厚度约50微米）。

1. 结构表征

   • 显微成像：扫描电子显微镜（SEM）显示压制后薄膜中CNFs仍保持高度定向排列（图2d–e），X射线衍射（XRD）证实纤维素分子链的取向性（图2f–g）。
     
   • 光学性能测试：紫外-可见光谱显示薄膜透光率达90%（400–800 nm波长），且光散射呈现显著各向异性（平行与垂直方向光强比达350%）。
     

2. 力学性能测试

   • 拉伸实验表明，CNFs定向排列的薄膜断裂强度达350 MPa，是随机排列CNFs薄膜的3倍，韧性提高至7.38 MJ/m³（图4e）。分子动力学模拟（MD）揭示其机制：平行于CNFs方向拉伸时，氢键断裂和纤维素链滑移耗散更多能量。
     

3. 功能验证

   • 定向液体传输：水滴在薄膜表面沿CNFs方向优先扩散（图3a），而各向同性薄膜中扩散无方向性（图3b）。
     
   • 微流体器件应用：以薄膜为基底构建电解质门控二硫化钼（MoS₂）晶体管（图3c–e），通过定向液体传输触发电路导通，电流提升两个数量级。
     

主要结果与逻辑链条
1. 结构保留性：脱木质素和压制过程未破坏CNFs的天然排列（SEM/XRD证据），证明“自上而下”方法的可行性。
2. 性能优势：各向异性薄膜的力学强度（350 MPa）和光学性能（90%透光率）显著优于传统各向同性材料，归因于CNFs的定向增强效应（MD模拟支持）。
3. 应用验证：定向液体传输和MoS₂晶体管实验表明，该薄膜可简化微流体器件设计，无需外部通道构建。

结论与价值
1. 科学价值：首次通过简单工艺保留天然木材的CNFs取向，为各向异性材料设计提供新思路。
2. 应用潜力：薄膜的透明性、力学强度及定向传输特性，使其在柔性电子、靶向给药和绿色显示等领域具有应用前景。

研究亮点
1. 方法创新：仅需脱木质素和压制两步，比传统CNFs提取-重组工艺更高效节能。
2. 性能突破：透光率和力学强度同步提升，且可通过切割角度调控CNFs排列方向（图5a–e）。
3. 跨学科应用：结合微流体与光电器件需求，提出“木材直接转化”的可持续材料策略。

其他发现
- 多层薄膜堆叠（如正交排列的双层结构，图4g–i）可进一步调控各向异性，扩展材料设计自由度。
- 松木与椴木的普适性验证表明该方法适用于多种木材（图S6）。

（注：文中所有实验细节及数据均引自原文，支持信息可参考补充材料。）