中国科大研制一种受宣纸启发的多尺度纤维素膜材料

造纸技术是中国古代四大发明之一，其中宣纸是我国保存高级档案和史料的最佳用纸，是流传至今古籍珍本，书画墨迹,传统艺术的重要载体，是中华民族宝贵的文化遗产，迄今已有一千五百多年的历史，宣纸制作工艺也被列为世界非物质文化遗产。宣纸是传统手工纸品最杰出的代表，具有绵软坚韧，百折不损，光而不滑，吸水润墨，洁白稠密，纹理纯净，防腐防蛀的优点，宣纸的种类繁多，制作工艺流程复杂，需经过100多道纯手工工序，整个制作周期至少历时一年，故有“纸寿千年”“纸中之王”的美称，居文房四宝之首。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队特任副研究员管庆方等通过对传统宣纸的详细结构表征，探究了其高强度高韧性的微观机理，并且受宣纸制造工艺和结构的启发，研制出了一种具有多尺度结构的高雾度透明薄膜，是柔性透明电子器件基底材料的理想选择。在宏观上，宣纸由青檀树皮和沙田稻草为原料经过严格的上百道工序制成。在微观上，该团队发现宣纸内部具有大量的纳米纤维和微米纤维相互交织，形成了微米纳米多尺度的三维网络，这种仿生多尺度结构赋予了宣纸高强度，高柔韧性的力学优势。受宣纸多尺度结构的启发，研究人员通过将微米纤维素和纤维素纳米纤维组装成多尺度结构，制备了高性能高雾度透明薄膜。这种多尺度结构赋予了薄膜高强度、高韧性、高透光率、高雾度、极佳的柔韧性和可折叠性等优异的综合性能，并且可以通过卷对卷的工艺进行连续化生产。基于该多尺度薄膜制作的柔性近场通讯电路电子器件兼具高透明度，高雾度和优异的柔韧性，在弯曲时仍然可以准确地记录和读取信息，展示了多尺度薄膜作为柔性电子器件基底的应用潜力。相关研究成果以“Sustainable Multiscale High-Haze Transparent Cellulose Fiber Film via a Biomimetic Approach”为题发表于ACS Materials Letters上（ACS Materials Lett.2022, 4, 87−92）。

该薄膜多尺度双网络结构通过高密度的氢键网络将应力分散在更广阔的多尺度三维网络之中，避免了应力的集中，同时实现了高强度和高柔韧性，在完全折叠后也不形成破坏性折痕，卷起后也可恢复原状。这种多尺度薄膜还具有优异的热稳定性，与广泛使用的不可持续的石油基塑料薄膜相比，在250°C下也没有明显的变化，而广泛使用的石油化工塑料薄膜在这个温度下已经完全变软变形。这些出色的力学、热力学与光学特性，使其成为应用于精密光学器件和柔性电子器件领域的理想薄膜材料。研究人员用该多尺度薄膜作为基底制作了近场通信电路(NFC)。与NFC电路集成的薄膜不仅表现出高透明度和高雾度，而且还具有出色的柔韧性。即使薄膜严重弯曲，写入薄膜的信息仍然可以被智能手机快速，准确地读取。

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图.传统宣纸的表征和多尺度薄膜的制备，以及基于多尺度薄膜制备的柔性电子设备。(a)《天工开物》宣纸的工艺示意图。(b)宣纸照片。(c)宣纸的SEM图像和偏光显微镜图像（插图）。(d)多尺度薄膜的卷对卷生产示意图。(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双网络结构示意图，由纤维素纳米纤维和微米纤维素组成。(g)多尺度薄膜显示出高透明度和雾度。(h)多尺度薄膜显示出高柔韧性，薄膜的偏光显微镜图像（插图）显示其与宣纸相似的多尺度结构。（i和j）以多尺度薄膜为基底的近场通信（NFC）电路，同时显示出高透光率和高雾度，以及优异的柔韧性，在严重的弯曲下仍可记录和读取信息。(k)一束激光穿过多尺度薄膜，形成一个相当大的光环区域，展示了薄膜的匀光性。

该工作受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点基金、中国科学院前沿科学重点研究项目、合肥大科学中心卓越用户基金等资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.1c00630

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