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中國科大俞書宏院士團隊研制出多尺度纖維素膜材料
文章來源:高分子科學前沿     點擊數: 次     更新時間:2021-12-28 14:22

 造紙技術是中國古代四大發明之一,其中宣紙是我國保存高級檔案和史料的最佳用紙,是流傳至今古籍珍本,書畫墨跡,傳統藝術的重要載體,是中華民族寶貴的文化遺產,迄今已有一千五百多年的歷史,宣紙制作工藝也被列為世界非物質文化遺產。宣紙是傳統手工紙品最杰出的代表,具有綿軟堅韌,百折不損,光而不滑,吸水潤墨,潔白稠密,紋理純凈,防腐防蛀的優點,宣紙的種類繁多,制作工藝流程復雜,需經過100多道純手工工序,整個制作周期至少歷時一年,故有“紙壽千年”“紙中之王”的美稱,居文房四寶之首。

 

近日,中國科學技術大學俞書宏院士團隊特任副研究員管慶方等通過對傳統宣紙的詳細結構表征,探究了其高強度高韌性的微觀機理,并且受宣紙制造工藝和結構的啟發,研制出了一種具有多尺度結構的高霧度透明薄膜,是柔性透明電子器件基底材料的理想選擇。在宏觀上,宣紙由青檀樹皮和沙田稻草為原料經過嚴格的上百道工序制成。在微觀上,該團隊發現宣紙內部具有大量的納米纖維和微米纖維相互交織,形成了微米納米多尺度的三維網絡,這種仿生多尺度結構賦予了宣紙高強度,高柔韌性的力學優勢。受宣紙多尺度結構的啟發,研究人員通過將微米纖維素和纖維素納米纖維組裝成多尺度結構,制備了高性能高霧度透明薄膜。這種多尺度結構賦予了薄膜高強度、高韌性、高透光率、高霧度、極佳的柔韌性和可折疊性等優異的綜合性能,并且可以通過卷對卷的工藝進行連續化生產?;谠摱喑叨缺∧ぶ谱鞯娜嵝越鼒鐾ㄓ嶋娐冯娮悠骷婢吒咄该鞫?,高霧度和優異的柔韌性,在彎曲時仍然可以準確地記錄和讀取信息,展示了多尺度薄膜作為柔性電子器件基底的應用潛力。相關研究成果以“Sustainable Multiscale High-Haze Transparent Cellulose Fiber Film via a Biomimetic Approach”為題發表于ACS Materials Letters上(ACS Materials Lett.2022, 4, 87−92)。

 

該薄膜多尺度雙網絡結構通過高密度的氫鍵網絡將應力分散在更廣闊的多尺度三維網絡之中,避免了應力的集中,同時實現了高強度和高柔韌性,在完全折疊后也不形成破壞性折痕,卷起后也可恢復原狀。這種多尺度薄膜還具有優異的熱穩定性,與廣泛使用的不可持續的石油基塑料薄膜相比,在250°C下也沒有明顯的變化,而廣泛使用的石油化工塑料薄膜在這個溫度下已經完全變軟變形。這些出色的力學、熱力學與光學特性,使其成為應用于精密光學器件和柔性電子器件領域的理想薄膜材料。研究人員用該多尺度薄膜作為基底制作了近場通信電路(NFC)。與NFC電路集成的薄膜不僅表現出高透明度和高霧度,而且還具有出色的柔韌性。即使薄膜嚴重彎曲,寫入薄膜的信息仍然可以被智能手機快速,準確地讀取。

 

圖.傳統宣紙的表征和多尺度薄膜的制備,以及基于多尺度薄膜制備的柔性電子設備。(a)《天工開物》宣紙的工藝示意圖。(b)宣紙照片。(c)宣紙的SEM圖像和偏光顯微鏡圖像(插圖)。(d)多尺度薄膜的卷對卷生產示意圖。(e)一卷0.5 m x 10 m的多尺薄膜照片。(f)多尺度薄膜的多尺度雙網絡結構示意圖,由纖維素納米纖維和微米纖維素組成。(g)多尺度薄膜顯示出高透明度和霧度。(h)多尺度薄膜顯示出高柔韌性,薄膜的偏光顯微鏡圖像(插圖)顯示其與宣紙相似的多尺度結構。(i和j)以多尺度薄膜為基底的近場通信(NFC)電路,同時顯示出高透光率和高霧度,以及優異的柔韌性,在嚴重的彎曲下仍可記錄和讀取信息。(k)一束激光穿過多尺度薄膜,形成一個相當大的光環區域,展示了薄膜的勻光性。

 

該工作受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點基金、中國科學院前沿科學重點研究項目、合肥大科學中心卓越用戶基金等資助。

 

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.1c00630造紙技術是中國古代四大發明之一,其中宣紙是我國保存高級檔案和史料的最佳用紙,是流傳至今古籍珍本,書畫墨跡,傳統藝術的重要載體,是中華民族寶貴的文化遺產,迄今已有一千五百多年的歷史,宣紙制作工藝也被列為世界非物質文化遺產。宣紙是傳統手工紙品最杰出的代表,具有綿軟堅韌,百折不損,光而不滑,吸水潤墨,潔白稠密,紋理純凈,防腐防蛀的優點,宣紙的種類繁多,制作工藝流程復雜,需經過100多道純手工工序,整個制作周期至少歷時一年,故有“紙壽千年”“紙中之王”的美稱,居文房四寶之首。

 

近日,中國科學技術大學俞書宏院士團隊特任副研究員管慶方等通過對傳統宣紙的詳細結構表征,探究了其高強度高韌性的微觀機理,并且受宣紙制造工藝和結構的啟發,研制出了一種具有多尺度結構的高霧度透明薄膜,是柔性透明電子器件基底材料的理想選擇。在宏觀上,宣紙由青檀樹皮和沙田稻草為原料經過嚴格的上百道工序制成。在微觀上,該團隊發現宣紙內部具有大量的納米纖維和微米纖維相互交織,形成了微米納米多尺度的三維網絡,這種仿生多尺度結構賦予了宣紙高強度,高柔韌性的力學優勢。受宣紙多尺度結構的啟發,研究人員通過將微米纖維素和纖維素納米纖維組裝成多尺度結構,制備了高性能高霧度透明薄膜。這種多尺度結構賦予了薄膜高強度、高韌性、高透光率、高霧度、極佳的柔韌性和可折疊性等優異的綜合性能,并且可以通過卷對卷的工藝進行連續化生產?;谠摱喑叨缺∧ぶ谱鞯娜嵝越鼒鐾ㄓ嶋娐冯娮悠骷婢吒咄该鞫?,高霧度和優異的柔韌性,在彎曲時仍然可以準確地記錄和讀取信息,展示了多尺度薄膜作為柔性電子器件基底的應用潛力。相關研究成果以“Sustainable Multiscale High-Haze Transparent Cellulose Fiber Film via a Biomimetic Approach”為題發表于ACS Materials Letters上(ACS Materials Lett.2022, 4, 87−92)。

 

該薄膜多尺度雙網絡結構通過高密度的氫鍵網絡將應力分散在更廣闊的多尺度三維網絡之中,避免了應力的集中,同時實現了高強度和高柔韌性,在完全折疊后也不形成破壞性折痕,卷起后也可恢復原狀。這種多尺度薄膜還具有優異的熱穩定性,與廣泛使用的不可持續的石油基塑料薄膜相比,在250°C下也沒有明顯的變化,而廣泛使用的石油化工塑料薄膜在這個溫度下已經完全變軟變形。這些出色的力學、熱力學與光學特性,使其成為應用于精密光學器件和柔性電子器件領域的理想薄膜材料。研究人員用該多尺度薄膜作為基底制作了近場通信電路(NFC)。與NFC電路集成的薄膜不僅表現出高透明度和高霧度,而且還具有出色的柔韌性。即使薄膜嚴重彎曲,寫入薄膜的信息仍然可以被智能手機快速,準確地讀取。

 

圖.傳統宣紙的表征和多尺度薄膜的制備,以及基于多尺度薄膜制備的柔性電子設備。(a)《天工開物》宣紙的工藝示意圖。(b)宣紙照片。(c)宣紙的SEM圖像和偏光顯微鏡圖像(插圖)。(d)多尺度薄膜的卷對卷生產示意圖。(e)一卷0.5 m x 10 m的多尺薄膜照片。(f)多尺度薄膜的多尺度雙網絡結構示意圖,由纖維素納米纖維和微米纖維素組成。(g)多尺度薄膜顯示出高透明度和霧度。(h)多尺度薄膜顯示出高柔韌性,薄膜的偏光顯微鏡圖像(插圖)顯示其與宣紙相似的多尺度結構。(i和j)以多尺度薄膜為基底的近場通信(NFC)電路,同時顯示出高透光率和高霧度,以及優異的柔韌性,在嚴重的彎曲下仍可記錄和讀取信息。(k)一束激光穿過多尺度薄膜,形成一個相當大的光環區域,展示了薄膜的勻光性。

 

該工作受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點基金、中國科學院前沿科學重點研究項目、合肥大科學中心卓越用戶基金等資助。

 

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.1c00630

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