Wenting Ren, Jiande Lin, Zijing Liu, Minfeng Huang, Yuxuan Huang, Jingpeng Li, Fei Guo, Xuexia Zhang, Rilong Yang, Xinhua Ouyang, Chaoji Chen, Dengkang Guo, Yan Yu. 该项研究于2025年9月2日首次发表在学术期刊 Advanced Functional Materials (Volume 36, Issue 9, e15830) 上。
本研究的学术领域属于可持续生物基功能材料，特别是面向能源效率建筑和光学应用的透明材料。研究的背景在于，传统透明木材等生物质透明材料虽然展现潜力，但其制备通常依赖石化基聚合物（占70%以上）来实现折射率匹配，这导致了其在生命周期终结时缺乏可回收性，且难以实现大尺寸规模化生产。此外，透明木材的机械性能受木材本身各向异性的影响，横向力学性能较弱，且脱木质素过程在处理大尺寸样品时存在挑战。因此，研究界迫切需要开发一种全生物基、可回收、可降解且易于规模化生产的大型透明板材，以减少对石油资源的依赖。本研究的目标是提出一种“自下而上”的策略，利用竹粉制备高性能、可持续的全生物基透明面板，并通过调控水和动态共价键实现其“水循环”回收利用。
研究详细流程如下：
首先，研究人员以毛竹（Moso bamboo）粉末为原料，这是因其生长周期短（3-5年）、资源丰富且固碳潜力大。制备流程始于竹粉的彻底脱木质素处理，以去除阻碍纤维素和半纤维素化学可及性的木质素，得到全纤维素（Holocellulose， 标记为H）。然后，对脱木质素后的竹粉进行高碘酸钠（NaIO₄）氧化处理。这一步骤是关键，其目的是在纤维素分子链上C2和C3位点选择性引入两个相邻的醛基，生成二醛全纤维素（dialdehyde holocellulose， 标记为H-A）。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和固态核磁共振（NMR）表征，证实了醛基（主要以水合醛、半缩醛等形式存在）的成功引入。更重要的是，X射线衍射（XRD）分析表明，氧化处理有效破坏了纤维素原本致密的结晶结构，降低了结晶度和晶粒尺寸，使纤维素转化为更无定形的状态，从而显著增强了其热塑性。
其次，研究创新性地将水作为关键“塑化剂”引入制备过程。将干燥的H-A粉末调控至不同的含水率（0%、30%、60%、100%），并充分混合。通过低场核磁共振（LF-NMR）分析了不同含水率下H-A中水的状态，发现存在结合水和自由水。FTIR分析进一步揭示了水的关键作用：在含水状态下，二醛纤维素中半缩醛结构的信号减弱，而C-O峰强度在特定波段增强，这被解释为水分子渗入纤维素微纤丝间，阻碍了分子间半缩醛的形成，促进了水合醛（hydrated aldehydes）结构的生成。这两种机制（水破坏氢键网络、水促进醛基水合）共同增强了纤维素分子链在湿热条件下的移动性。分子动力学（MD）模拟也证实，保留在二醛纤维素分子链间的水分子能显著提高压缩变形率，验证了水在提升塑性方面的关键作用。
接着，核心成型步骤是热压。将不同含水率的H-A粉末在100°C和4 MPa的压力下热压5分钟，最终制得一系列透明面板（标记为H-A0、H-A30、H-A60、H-A100）。水在热压过程中充当“流动促进剂”，使得纤维素分子链能够充分移动、密实化，并重新形成分子间氢键和半缩醛交联网络，从而获得致密、光滑的表面结构。
研究对所得透明面板进行了全面的结构与性能表征。结构分析方面，扫描电子显微镜（SEM）图像显示，无水分添加的H-A0样品表面存在明显的微米级孔隙，而高含水率（如H-A100）样品则表面异常光滑，无可见孔隙，证明了水的塑化作用对形成致密结构的贡献。小角X射线散射（SAXS）和广角X射线散射（WAXS）实验进一步表明，制备的透明面板具有各向同性的结构，且内部孔隙尺寸分布减小，这与传统透明木材的各向异性结构形成鲜明对比。
力学性能测试结果令人瞩目。随着热压前含水率的增加，透明面板的密度和拉伸强度逐渐提高。H-A100样品展现出优异的力学性能：拉伸强度高达约83 MPa，弯曲强度是H-A0样品的约30倍，超过了大多数竹材自粘合复合材料。其硬度也高于环氧树脂（ER）和透明木材（TW）。同时，材料展现出优异的韧性，远高于玻璃，意味着更好的安全性能。值得注意的是，该透明面板表现出各向同性的力学性能，克服了传统透明木材横向力学性能差的缺陷。
耐水性测试是评估纤维素基材料应用潜力的关键。将样品浸水24小时后，H-A100等样品保持了良好的形状和刚度，吸水率低于5%。相比之下，不含水的H-A0样品吸水率高达100%并完全崩解。更重要的是，湿态拉伸强度测试显示，H-A100样品浸水24小时后仍能保持71 MPa的强度，为其原始强度的85%以上，证明了致密结构和化学改性带来的优异耐水性。
光学性能方面，透明面板表现出高透光率和高雾度（Haze）的优异组合。H-A60和H-A100样品的透光率在550 nm波长下超过85%，与传统透明木材相当。同时，其雾度超过75%，高雾度有助于扩大光照范围并优化光线利用。研究成功将透明面板的尺寸从16 cm²放大到100 cm²，并展示了制备厚面板（可达1.5 mm）的能力，解决了传统透明木材难以制备大厚度、大尺寸样品的难题。利用激光进行的透光实验表明，H-A60和H-A100样品能像玻璃一样形成清晰的光斑，显示其适合需要清晰光照的实际应用。
功能性应用探索是该研究的另一亮点。首先，在热管理方面，测得该透明面板的热导率仅为0.27 W·m⁻¹·K⁻¹，显著低于普通玻璃和传统透明竹材，表明其具有良好的隔热性能。实验证实，在相同热源下，透明面板表面温度远低于玻璃，证明了其降低建筑能耗的潜力。其次，研究将透明面板应用于钙钛矿太阳能电池（Perovskite solar cells）作为光捕获层，结果将电池的功率转换效率（PCE）从基准的22.57%显著提升至23.33%。外量子效率（EQE）测试也证实，采用透明面板的器件具有更高的光电子转换效率，这归功于透明面板提高的透光率和雾度优化了光吸收。
本研究最具创新性的成果之一是实现了材料的闭环“水循环”回收。生命周期终结的透明面板可以通过机械粉碎回收粉末。通过精确调控粉末的含水率，并再次进行热压，可以完全恢复其高透光性和高拉伸强度。更重要的是，若向回收粉末中加入两倍质量的水并混合，可以将其转化为高性能的生物基粘合剂，其粘合强度可达3.19 MPa，满足工业要求。其粘合机理源于粉末中醛基与竹材表面羟基的化学反应形成半缩醛键，以及粘合剂渗入竹材多孔结构产生的物理互锁。这种回收策略极大地提升了材料的可持续性。
环境影响的评估进一步支撑了其可持续性主张。通过生命周期评估（LCA）比较，生产该透明面板在多项环境影响指标（如全球变暖潜力、富营养化潜力、人类毒性潜力、陆地生态毒性潜力等）上均显著低于生产环氧树脂。此外，土壤埋藏实验表明，该透明面板在自然环境中会发生可控的生物降解，在4个月后仍保持结构完整性，但在更长时间内可降解，避免了像环氧树脂和玻璃那样的长期环境存留问题。
研究的结论是，该工作提出了一种通过相工程和水诱导塑化技术制备新型全生物基透明面板的简单重构策略。该材料集各向同性的高强度（83 MPa）、高透光率（>85%）、高雾度（>75%）、优异的耐水性、可控的生物降解性、水循环回收能力和低碳足迹于一体。它不仅能提升钙钛矿太阳能电池效率，还能作为隔热窗材降低建筑能耗。结合其快速加工性、循环回收能力和最小化环境影响，该技术为下一代建筑和光学应用开辟了一条可持续的道路。
本研究的亮点在于：第一，核心机制创新：系统揭示了水在二醛纤维素热塑化过程中的双重作用机制（破坏氢键、促进水合醛结构形成），并将其成功应用于高性能生物基材料的制备。第二，性能综合优异：所得材料在力学、光学、隔热、耐水等关键性能上实现全面突破，且兼具各向同性和大尺寸可加工性，解决了传统透明材料的多个瓶颈。第三，闭环回收设计：创新性地提出了基于含水率控制的“水循环”回收策略，可将废料直接再造成新板材或转化为高性能粘合剂，实现了真正意义上的闭环循环。第四，多功能集成应用：不仅作为透明基材，还成功展示了其在提升太阳能电池效率和建筑隔热方面的双重应用价值，拓宽了生物基材料的应用边界。第五，全链条可持续论证：从原料（快速再生竹材）、制备（低能耗热压）、使用性能到末端回收与降解，进行了完整的可持续性论证和生命周期评估，为可持续材料设计提供了范例。
其他有价值的内容包括：该研究采用了分子动力学模拟等计算手段辅助解释实验现象，并综合运用了固体NMR、SAXS/WAXS、LF-NMR等先进表征技术对材料从分子结构到纳米/微米结构进行了多尺度深入解析，为材料设计与性能关联提供了扎实的科学依据。实验设计系统性地考察了氧化时间、含水率等关键工艺参数对材料最终结构和性能的影响，体现了研究的严谨性和深度。