类型a：学术研究报告

一、研究团队与发表信息
本研究由Wenting Ren、Jiande Lin、Zijing Liu等来自福建农林大学材料工程学院、中国林业科学研究院竹藤中心及武汉大学资源与环境科学学院的多位学者合作完成，通讯作者为Yan Yu、Dengkang Guo和Chaoji Chen。研究成果发表于*Advanced Functional Materials*期刊，具体发表日期为2025年（DOI: 10.1002/adfm.202515830）。

二、学术背景与研究目标
该研究属于生物质材料与可持续能源交叉领域，旨在解决传统透明木材（transparent wood）依赖化石基聚合物（fossil-based polymers）、不可回收及尺寸受限等问题。透明木材虽具有高透光率（>80%）和机械强度，但其制备需通过脱木素（delignification）和聚合物填充（polymer impregnation），导致生物降解性差且难以规模化生产。本研究提出一种“自下而上”的策略，以竹粉（bamboo powder）为原料，通过相工程（phase engineering）和水诱导塑化（water-induced plasticization）技术，开发全生物基、可回收的高性能透明板材（transparent panels），目标实现材料的高透光率（>85%）、高雾度（>75%）、优异机械强度（≈83 MPa）及水稳定性。

三、研究流程与方法
1. 原料处理与氧化改性
- 脱木素：竹粉经1% NaClO₂（pH 4.6）在75°C下处理1小时，重复5次至完全脱除木质素（lignin），得到竹全纤维素（holocellulose）。
- 氧化引入醛基：竹全纤维素用5% NaIO₄溶液在50°C避光氧化5小时，生成二醛纤维素（dialdehyde holocellulose, H-A），通过FT-IR和固体核磁共振（NMR）证实醛基（aldehyde groups）和半缩醛结构（hemiacetals）的形成。X射线衍射（XRD）显示氧化后纤维素结晶度显著降低，转化为无定形结构。

1. 水塑化与热压成型

   • 水分调控：H-A粉末分别调控水分含量为0%、30%、60%、100%（质量比），通过低场核磁共振（LF-NMR）分析结合水（bound water）与自由水（free water）的分布。
     
   • 热压工艺：不同含水量的H-A粉末在100°C、4 MPa下热压5分钟，形成透明板材（H-A0至H-A100）。分子动力学模拟（MD simulation）证实水分子通过破坏氢键网络和半缩醛结构，显著提升纤维素链的可塑性。
     

2. 材料表征与性能测试

   • 结构分析：扫描电镜（SEM）显示H-A100表面无微孔，而H-A0存在明显孔隙；小角X射线散射（SAXS）证实H-A100孔径分布更致密（0–80 nm）。
     
   • 力学性能：H-A100的拉伸强度达83 MPa，是H-A0的30倍；湿态强度保持率>85%（24小时浸泡后71 MPa）。
     
   • 光学性能：H-A100透光率>85%，雾度>75%，且各向同性，优于传统透明木材的异性散射特性。
     

3. 应用验证

   • 钙钛矿太阳能电池：透明板材作为光捕获层，将电池效率从22.57%提升至23.33%。
     
   • 循环利用：废弃板材可通过粉碎后调控水分再热压，或作为生物基胶黏剂（粘结强度3.19 MPa）。
     

四、主要结果与逻辑链条
1. 氧化与塑化协同效应：NaIO₄氧化破坏纤维素结晶区，水分子进一步削弱分子间作用力，使热压后形成致密结构（图4i）。
2. 性能优化机制：高水分含量（100%）下，自由水促进纤维素链重组，H-A100的密度（1.38 g/cm³）和透光率显著提升（图5a,g）。
3. 环境效益：生命周期评估（LCA）显示，该材料碳足迹（carbon footprint）和人类毒性潜力（human toxicity potential）均低于环氧树脂（epoxy resin）。

五、结论与价值
本研究通过相工程和水塑化技术，首次实现了全生物基透明板材的高性能化与闭环回收。其科学价值在于揭示了水分子在纤维素动态共价网络（dynamic covalent network）中的塑化机制；应用价值体现在替代玻璃和石油基塑料，用于节能建筑（如智能窗户）和光学器件（如太阳能电池）。

六、研究亮点
1. 方法创新：首次将水诱导塑化与二醛纤维素热压结合，避免传统透明木材的脱木素瓶颈。
2. 性能突破：同时实现高透光率、高雾度、高强度和水稳定性，远超现有生物基透明材料。
3. 可持续性：材料可100%回收或降解，降解4个月后仍保持部分结构完整性（图6b）。

七、其他价值
该技术可扩展至其他生物质（如秸秆、甘蔗渣），为规模化生产提供新思路。此外，其低热导率（0.27 W·m⁻¹·K⁻¹）在建筑隔热领域具潜在应用。