隨著現代科學技術的發展，柔性電子器件在信息、新材料、新能源等領域廣泛應用。比如，已被廣泛應用於可彎折、可捲曲、輕薄顯示屏幕諸如曲面電視和可摺疊手機，還有柔性儲能器件和電子皮膚等。柔性電子器件基材的開發，主要採用：1）柔韌性的功能有機分子和聚合物材料作為柔性電子器件構築單元；2）通過材料的微結構設計實現剛性無機材料的柔性化。其中，大多數聚合物柔性電子器件的基材都是從石油中提煉出來的高分子材料，這些石油基的高分子材料在使用廢棄後，由於生物降解性較差，對生活環境的汙染造成巨大的負擔。除電子器件基材之外，柔性電子器件的導電層一般用一些重金屬或對人體有危害的導電塗層，這將對人們的身體健康帶來負面的影響。於是，湧現一些能夠對人們身體健康有利、並且對環境影響較小的新材料、新技術。
新一代的柔性電子器件的研發，致力於開發對人體健康有利、環境友好、可持續和多功能的柔性材料。木材作為一種傳統的工程材料，具有環境友好、可再生、可降解和強重比高等優點，近年來研發木質基新型功能材料也備受研究人員的親睞。比如，將木材中的木質素抽提出來，然後再將回填與去木質素的多孔木材模板折射係數（refractive index）相匹配的高分子聚合物，高分子聚合物與去木質素的模板結合並聚合之後，便製備得到“透明木材”。但是，回填的高分子聚合物（聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或環氧樹脂）大部分是石油基材料，使用廢棄後不容易降解，另外該材料在纖維的生長方向力學脆性比較大。另外一種策略，還可以將木材中的納米纖維素分離出來，通過自組裝成膜的方法，製備高透明度、良好的柔性和較低的熱膨脹係數的透明膜基材用於柔性電子器件的研發。不過由於需要經過許多步驟，如化學藥品處理木材、機械分離、脫水和自組裝等，製備這種環保型的纖維素透明基材費時多、能耗大。於是，
新西蘭皇家林業研究院（簡稱Scion，Crown Research Institute of New Zealand）從事木材和纖維創新技術的符啟良研究員（項目領導人）提出一種新思路，製備環境友好型、全木材基的柔性電子器件。通過至上而下（top-down）的方法，將木質素和半纖維素從木材中抽提掉，軟化木材後在室溫條件下壓縮和乾燥得到環境友好的基材（圖一）。得益於保持木材細胞壁天然的多層級別的組裝結構、以及纖維素分子鏈在樹木生長方向上的高度定向排列和密實化後細胞壁纖維素/半纖維素折射係數（≈1.53）的匹配，所製備的環境友好型基材具有力學性能強、柔性好和透明度高的特點。另外，符啟良研究員指出，抽提出來的木質素有望再收集並製備相關生物質基功能型材料。於是，該團隊提出用木質素製備成生物質基的導電材料，用於製備生物質基環境友好型的導電塗層或打印墨水。通過靜電紡絲的方法將木質素紡絲並碳化得到具有導電功能的木質素碳化纖維，然後再加入一種生物質基蛋白（Amyloid）作為添加劑製備出可打印的導電墨水。 圖一、製備木材基柔性電子器件的示意圖
該工作充分利用天然木材中細胞壁特殊結構和纖維素定向排列的特點，經過溫和的化學處理最大限度地保持木材細胞壁天然的複雜層次結構（圖二），減少化學處理過程中對纖維素的降解。通過X-ray同步輻射廣角散射的花樣圖分析，證實纖維素高度定向排列。
圖二、透明木膜的結構表徵：（a）天然木材細胞壁的形貌；（b）處理木材的細胞壁形貌；（c）共聚焦熒光圖譜；（d-e）透明木膜的端面微觀結構；（f）同步輻射廣角散射示意圖；（h）密實化細胞壁表面的形貌及納米纖維束的定向排列；（h-j）X-ray同步輻射廣角散射花樣圖和圖譜。
所製備的透明木膜不僅有良好的機械力學性能、柔性，還具有高透明度的特點（圖三）。透明木膜的拉伸強度（469.9 MPa）比天然木材的對比樣品強度提高20-25倍。其力學力學性能也比PET高分子材料、各向同性自組裝的纖維素膜和常用的打印紙強度高，此外其強重比（強度除以密度）也能和一些常用的合金、不鏽鋼和塑料媲美。同時，透明木膜經卷曲、打結、扭曲和彎曲變形後無任何開裂現象，在橫向（與纖維排列方向垂直）和縱向（纖維排列的方向）都展現出優越的柔性。該透明木膜材料透明度也達到80% (550nm), 並且具有各向異性的光散射的特性。
圖三、（a,b）透明木膜力學性能與其它傳統材料的對比；（c,d）柔性度的表徵；（e,f）透明木膜的透明度、霧度和光散射
基於透明木膜所具備的特點，該團隊首次提出將木質素紡絲碳化後製備出可打印的導電墨水，並將該導電墨水打印於透明木膜基材上得到新型環境友好的全木材基柔性電子器件（圖四）。經過10000次彎曲和摺疊形變，該器件依然顯示相對穩定的電阻變化。木質素碳化導電塗層與透明膜的表面附著也展現出優良的界面結合，在經過十次剝離實驗後，電阻變化率僅增加12%。與PET、纖維素透明膜和打印紙基材相比，在拉伸變形的情況下，全木材基柔性電子器件還具有相對較穩定的拉伸-導電性能（電阻變化率）。於是，該團隊也提出用木材基柔性電子器件作為形變傳感器，這個想法也得到證實。
圖四、全木材基柔性電子器件概念的展示. （a-d）全木材基柔性電子器件的數字圖片和碳化木質素導電打印的塗層；（e,f) 全木材基柔性電子器件彎曲和摺疊形變時的導電性；（g,h）全木材基柔性電子器件摺疊/非摺疊和塗層剝離後電阻的變化率；（i,j）拉伸時電阻變化率和形變傳感器概念的展示
總結：利用木材納米技術，對木材的微納結構進行調控，並製備性能優越的柔性基材；結合納米制備技術，我們還可以用木質素製備環保型的導電墨水/塗層。該團隊提出一種新的柔性電子器件的製備思路，通過透明木膜和木質素碳化導電塗層的結合，我們可以生產環保型、多功能的全木材基柔性電子器件。我們預測，這種柔性電子器件還可以有其它廣闊的應用，比如智能包裝、可穿戴設備和其它傳感器領域。該團隊的符啟良研究員還指出，這種全木材基柔性電子器件還可以回收重新利用，製備其它纖維素材料。另外，該柔性電子器件的生產技術有望通過傳統造紙的Roll-to-Roll生產線進行大尺寸和大批量生產。
參考文獻：
Qiliang Fu*, Yi Chen, and Mathias Sorieul. “Wood-Based Flexible Electronics”. ACS Nano, 2020. DOI: 10.1021/acsnano.9b09817
---納米纖維素找北方世紀---
“高分子科學前沿”彙集了20萬高分子領域的專家學者、研究/研發人員。我們組建了80餘個綜合交流群（包括：教師群、企業高管群、碩士博士群、北美、歐洲等），專業交流群（塑料、橡塑彈性體、纖維、塗層黏合劑、油墨、凝膠、生物醫用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、納米材料、表徵技術、車用高分子、發泡、聚酰亞胺、抗菌、仿生、腫瘤治療）。
我們的微博：高分子科學前沿 ，歡迎和我們互動。
我們的QQ交流群：451749996（務必備註：名字-單位-研究方向）
投稿 薦稿 合作：[email protected]
閱讀更多 高分子科學前沿 的文章
