激光网3月8日消息，在寻求可持续和多功能材料的过程中，木材因其独特的强度、耐久性和可再生性而成为主要候选者。然而，尽管木材具有许多理想的特性，但长期以来，木材一直受到其不透明性的阻碍，限制了其在节能建筑、太阳能电池和发光设备等领域的潜在应用。
为了克服这一限制，研究人员开发了各种策略，使木材透明，同时保持其机械完整性，这一过程通常涉及去除吸光木质素成分并用透明的聚合物基质代替。
虽然透明木材本身代表了一项重大进步，但赋予其附加功能的能力仍然是一个挑战。室温磷光是激发源被移除后持续存在的光的发射，具有许多潜在的应用，包括紧急标牌、防伪标签和装饰照明。然而，大多数表现出这种现象的材料是无机或有机金属化合物，它们可能价格昂贵、有毒且难以加工。另一方面，由于系统间交叉和非辐射衰变途径效率低下，有机化合物通常具有弱发射和短寿命的问题。
为了解决这些局限性，研究人员探索了各种增强有机材料室温磷光的策略，例如晶体工程、主客体络合和聚合物基质封装。虽然这些方法已经产生了有希望的结果，但它们通常需要复杂的合成，对分子排列的精确控制，或使用昂贵和稀有的金属离子。此外，将这些磷光材料集成到实际的大规模应用中仍然是一个重大挑战。
有机电子学领域的最新进展为高效稳定有机荧光粉的设计和合成提供了新的见解。特别是，使用具有重原子或羰基的刚性π共轭结构已被证明可以增强系统间交叉并减少非辐射衰变。此外，已发现将这些荧光粉掺入具有高玻璃化转变温度和低透氧性的聚合物基质中，可以提高它们在环境条件下的稳定性和性能。
基于这些发展，来自北京林业大学和华南理工大学的一组研究人员现在已经向前迈出了重要的一步，成功地将有机荧光粉集成到透明木材中，创造了一类具有可调谐、长寿命室温磷光的新型可持续多功能材料。他们的创新方法涉及芳基硼酸与木材结构内的纤维素纤维和聚乙烯醇基质的共价键合，不仅克服了以前有机荧光粉的局限性，而且还利用木材的独特性能来增强所得材料的光学和机械性能。
该研究已发表在Small Structures上。
这种方法成功的关键在于芳基硼酸的硼原子与聚乙烯醇和纤维素纤维的氧原子之间形成共价键。这些 B-O 键有两个关键功能：它们将磷光分子锚定在木材结构上，防止它们随着时间的推移而浸出，并且它们创造了一个刚性和致密的氢键网络，抑制分子运动并稳定负责磷光的三重态激子。通过仔细选择具有不同π共轭结构的芳基硼酸，如联苯、菲和芘，研究人员能够将磷光的颜色从蓝色微调到绿色再到红色，寿命范围从0.21秒到2.13秒。
使用这种方法生产的透明木材样品表现出显着的光学和机械性能。透光率高达90%，使材料具有高度透明性，而拉伸强度高达154 MPa，远远超过大多数聚合物和塑料。这种光学清晰度和机械坚固性的结合是一项重大突破，因为它为在需要透明度和强度的应用中使用木质材料开辟了新的可能性，例如节能窗户、太阳能电池和柔性显示器。
这项工作的另一个令人印象深刻的成就是通过在发出蓝色的透明木材样品中掺杂少量发光的染料罗丹明 6G 来产生白光磷光。通过一种称为Förster共振能量转移的过程，芳基硼酸供体的三重态激子有效地将其能量转移到罗丹明6G受体的单线态激发态，从而产生蓝色和红色发射的平衡混合物，在眼睛看来是白色的。这种发光的白光透明木材的磷光寿命为 1.85 秒，颜色坐标接近标准白光，使其在固态照明和显示器应用中特别有吸引力。
为了展示其磷光透明木材的实用潜力，研究人员制造了几种概念验证设备，包括白天暴露在阳光下后可以提供环境照明的智能窗户，可以用作紧急标志或装饰元素的延时照明面板，以及防伪标签，当激发源被移除时，它会显示隐藏的图案。这些演示突出了该材料的多功能性及其集成到从建筑材料到消费品的各种产品和系统中的潜力。
虽然磷光透明木材的发展是一个重要的里程碑，但仍有一些挑战需要解决，以进一步提高其性能并扩大其适用性。例如，提高磷光的效率和亮度，进一步延长使用寿命，以及扩大发射颜色和颜色混合策略的范围，可以使该材料在实际应用中更具吸引力。此外，磷光透明木材在高湿度、极端温度和紫外线照射等不同环境条件下的长期稳定性和性能需要仔细评估，以确保其耐用性和可靠性。
尽管面临这些挑战，但北京林业大学和华南理工大学团队的工作表明，木质材料在满足对可持续、高性能和多功能技术日益增长的需求方面具有巨大潜力。通过将木材的固有优势与先进的化学和物理功能相结合，研究人员正在为新一代智能、环保和多功能材料铺平道路，这些材料可以改变我们的生活、工作和交流方式。
随着该领域研究的不断进步，我们可以期待在不久的将来看到更多令人兴奋的发展。磷光透明木材与其他新兴技术的整合，可以创造出真正的多功能、节能和智能材料，模糊自然与技术之间的界限。这些创新对建筑和交通、医疗保健和娱乐等领域的潜在影响是巨大的，很明显，木材这种人类已经使用了数千年的材料，仍然为我们准备了很多惊喜。
磷光透明木材的发展代表了可持续和多功能材料领域的重大突破。通过利用木材的独特特性并将其与先进的光学功能相结合，研究人员创造了一类新的材料，结合了两全其美的优势：木材的强度、耐用性和可持续性与有机荧光粉的透明度、磷光度和可调性。
虽然仍有挑战需要解决，但这项技术的潜在应用是广阔而令人兴奋的，从节能建筑和智能窗户到柔性显示器和防伪标签。随着该领域研究的不断进步，我们可以期待看到更多创新和变革性的发展，这些发展突破了木质材料的可能性。
