四川大學張新星研究員AM：利用木材微通道組裝纖維素液晶，成功研發可全彩調節的智能木材

木材作為一種古老的天然材料，在循環經濟與智能技術需求的推動下，正被賦予信息傳遞與顯示等新功能。然而，當前基于石油基單體和異質添加物（如金屬離子、有機染料）的木材著色技術，普遍面臨染料擴散、環境不友好、光學性能靜態不可調等問題。如何利用木材自身結構，引導其天然組分形成可調控的有序光子結構，成為實現木材可持續、智能化光學應用的關鍵挑戰。

近日，四川大學張新星研究員和電子科技大學Hou Lingmi合作提出了一種創新的木材著色策略：通過在脫木質素木材的天然微通道內限制性組裝纖維素液晶，成功制備出具有溫度調制功能的全彩色木材材料。該方法利用木材自身的微觀通道引導纖維素液晶形成納米級膽甾螺旋結構，實現了結構色的精確調控與穩定性提升。該材料不僅色域覆蓋整個可見光譜，而且生物基含量高達約93.1%，顯著降低了環境毒性，提升了可降解性。研究人員展望該類材料有望成為下一代智能全彩光學器件的可持續替代品，應用于數字顯示、防偽、生物醫學成像等領域。相關論文以“Wood Microchannel-Confined Assembly of Cellulosic Liquid Crystals for Modulable Chromatic Materials”為題，發表在

Advanced Materials

研究團隊以輕木為原料，通過脫木質素和表面硫醇化改性，制備出具有多孔骨架的模板木材。同時，以天然木漿衍生物經醚化酯化改性得到的甲基丙烯酸酐修飾羥丙基纖維素作為著色前驅體。化學表征證實了纖維素液晶的成功合成以及木材表面的硫醇基團引入。該液晶前驅體在剪切作用下呈現典型的膽甾相流變行為，其自組裝過程受熵驅動，并可通過氫鍵等分子間相互作用穩定。

圖1：木材著色策略與彩色木材的關鍵特性。 a) 通過微通道受限自組裝纖維素液晶制備彩色木材的過程示意圖。比例尺：50 μm。 b) 顏色變化機制示意圖及溫度調控全彩彩色木材的照片。 c) 基于彩色木材的、具有溫度響應圖案的可定制集成光學器件照片。 d) 彩色木材與基于其他木材著色策略的復合材料在綜合性能上的對比。

在受限的木材微通道內，液晶的組裝行為得到有效引導。與在玻璃平面上因毛細流和馬蘭戈尼流競爭導致的鋪展不均勻相比，木材毛細管提供了邊界約束，顯著提升了組裝的均勻性與可控性。通過紫外光引發，液晶單元通過硫醇-烯點擊化學和加成交聯反應被固定在細胞壁上，并與木材骨架形成牢固的界面結合和豐富的氫鍵網絡，從而保證了彩色單元的結構可靠性。

圖2：彩色木材的化學與超分子結構。 a) 硫醇化改性脫木質素木材與纖維素液晶前驅體的化學改性過程。 b) 甲基丙烯酸酐、羥丙基纖維素及甲基丙烯酸酐修飾羥丙基纖維素的核磁共振氫譜。 c) 羥丙基纖維素、甲基丙烯酸酐修飾羥丙基纖維素、輕木及硫醇化改性脫木質素木材的紅外光譜。 d) 固化后自組裝纖維素液晶的偏光顯微鏡圖像與 e) 掃描電鏡圖像（橫截面）。 f) 不同溫度條件下，纖維素液晶前驅體在旋轉階躍實驗中的流動曲線及第一法向應力演變。 g) 硫醇化改性脫木質素木材與纖維素液晶通過硫醇-烯點擊反應及超分子相互作用實現界面結合的示意圖。 h) 硫醇化改性脫木質素木材與彩色木材的X射線光電子能譜高分辨率S 2p、C 1s和Si 2p譜圖。 i) 彩色木材在30至100°C溫度范圍內，C=O伸縮振動和H-O-H彎曲振動區域的二維相關紅外光譜同步/異步譜圖及微擾相關移動窗口同步/異步譜圖。 j) 輕木、硫醇化改性脫木質素木材、甲基丙烯酸酐修飾羥丙基纖維素及彩色木材的X射線衍射譜圖。

材料的核心光學特性源于其納米級螺旋結構對光的選擇性反射。研究顯示，通過調節固化溫度與環境溫度，可逆地改變纖維素液晶分子的水合程度與螺旋螺距，從而實現結構色在419–695納米范圍內的主動、連續調控。在微觀尺度上，偏振光顯微鏡圖像顯示，木材管胞內的液晶組裝體保持了結構完整性，并隨水合度變化呈現不同的雙折射特征。小角X射線散射分析進一步揭示了復合材料界面的擴散層增厚與分形特征，這有助于緩解應力集中，提升材料力學性能。

圖3：彩色木材納米結構的形貌表征。 a) 纖維素液晶在有無木材骨架條件下自組裝過程的作用力示意圖及相應樣品照片。 b) 剪切后纖維素液晶的流變行為（儲能/損耗模量及復數粘度）。 c) 纖維素液晶前驅體在毛細管中平衡不同時間后的偏光顯微鏡圖像。比例尺：20 μm。 d) 輕木、硫醇化改性脫木質素木材及彩色木材在橫截面（i）和縱截面（ii）的照片與掃描電鏡圖像。管胞內（iii）及毛細管中（iv）纖維素液晶形貌的偏光顯微鏡圖像。管胞內纖維素液晶在橫截面和縱截面形態的示意圖（v）。 e) 輕木、硫醇化改性脫木質素木材及彩色木材的二維小角X射線散射圖像及散射強度隨方位角變化圖。 f) 從二維小角X射線散射圖案圓形積分得到的輕木、硫醇化改性脫木質素木材及彩色木材的散射曲線在低q2區域（<0.1 nm?1）的對比。 g) 輕木、硫醇化改性脫木質素木材及彩色木材的ln[I(q) q3] 對 q2 圖，原始數據經直線擬合獲得斜率，用于根據Porod定律計算界面層厚度。

基于此調控機制，研究團隊通過掩膜與梯度固化溫度配合，實現了亞毫米級的高精度圖案化，制備出數字、蝴蝶、花朵等多種彩色圖案。這些圖案在水環境中隨溫度變化發生敏銳的顏色響應，且經過多次循環仍保持性能穩定。此外，由于微觀陣列結構對光入射角的限制，材料顯示出強烈的視角依賴性，為信息隱私保護提供了可能。作為概念驗證，研究人員將彩色木材集成到信號處理系統與智能小車中，演示了其在智能交通信號控制方面的應用潛力。

圖4：彩色木材的溫度調控全彩光學特性及其開發的光子器件。 a) 可調圖案化彩色木材制備過程示意圖。 b) 不同環境溫度/固化溫度下具有響應性結構色的纖維素液晶照片。 c) 不同固化溫度下制備的纖維素液晶的光透射譜。 d) 纖維素液晶在HSV顏色空間中的色相值隨環境溫度/固化溫度的變化圖。 e) 在5°C固化的彩色木材其含水量及光譜谷值波長隨環境溫度的變化。 f) 彩色木材溫度響應結構色的可重復性測試。 g) 彩色木材圖案隨環境溫度/固化溫度及視角變化的情況。 h) 彩色木材貼片及 i) 具有可定制光學外觀的數字顯示陣列照片。比例尺：2 mm。 j) 基于彩色木材信號燈的概念驗證智能交通控制系統，用于程序化控制智能小車運動。

在力學與可持續性方面，得益于木材骨架與液晶在納米尺度的緊密交織，彩色木材的拉伸強度、楊氏模量與韌性相較于未處理木材獲得大幅提升。戶外土壤埋藏實驗表明，該材料在90天內降解率可達80.24%，與天然木材相當，遠高于傳統石油基復合材料。生態毒性評估模型（USEtox）分析進一步證實，該策略能將傳統著色方法產生的生態毒性風險降低84.21%至99.22%。

圖5：彩色木材力學性能與可持續性評估。 a) 輕木、硫醇化改性脫木質素木材及彩色木材在縱向和切向的應力-應變曲線。 b) 輕木、硫醇化改性脫木質素木材及彩色木材在縱向和切向的應力、楊氏模量及韌性對比。 c) 展示彩色木材機械魯棒性的照片：提升和懸掛重物。 d) 彩色木材、環氧樹脂-輕木復合材料、聚甲基丙烯酸甲酯-輕木復合材料及輕木在天然土壤中埋藏后的照片與 e) 生物降解率隨時間變化圖。 f) 彩色木材與其他木材著色策略的命運因子對比。 g) 彩色木材與其他木材著色策略的攝入分數對比。 h) 散點圖（i）與堆疊圖（ii）展示彩色木材與其他木材著色策略的中點生態毒性潛能對比。

綜上所述，這項研究通過木材微通道受限組裝纖維素液晶，成功開發出具有溫度調制全彩光學性能的智能木材材料。該技術實現了納米光子結構的精確可逆調控，突破了傳統光學木材被動傳輸或顏色靜態不可調的局限，同時保持了木材固有的生物可降解性。這項成果為開發可持續的智能光子器件，如響應式無電顯示、溫度傳感器和生物醫學成像設備，提供了具有廣闊前景的木材基新材料平臺。