祝名伟课题组Adv.Mater：在天然木材的纳米制造技术方面取得重大进展

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现代工程与应用科学学院祝名伟副教授联合美国马里兰大学胡良兵教授，首次实现了木材表面的微纳结构，展示了其表面纳米图案的制备能力，突破了木材传统的应用领域。该成果以《Precision Imprinted Nanostructural Wood》为题发表在材料类著名期刊Advanced Materials。同时，Nature杂志以“别再挑剔木材：它已经走入高科技”为题，高度评价这一进展。
       提升天然材料的功能和性能，拓展其现代应用，将对社会的可持续发展起到重要的推动作用。木材具有良好的生物降解性，且来源丰富。然而，长期以来，植物作为生命体受限于生长尺寸、缺陷、兼顾生命需求等，其性能不能满足现代需求，从而使得其应用长期局限于传统的建筑、家具等领域。表面微纳结构是很多光学、光子学等器件的基础，在木材的表面实现微纳结构的调控，将实现其光学、光子学等材料和器件的应用，发展完全生物降解、可抛弃的环境友好材料与器件。然而，木材是由纵向排列的细胞构成的多孔结构，微米尺度的粗糙表面难以形成纳米结构。此外，木材的主要构成材料天然纤维素没有热塑性。因此，在木材表面实现精密的微纳结构仍是一个挑战。

       针对上述研究目标和挑战，该团队基于木材及其纤维分级结构特点，通过部分去除木质素使微纤丝之间可移动，获得木材的类似塑性的力学特性，并在室温、潮湿条件下对木材表面进行纳米压印，然后通过干燥重新形成纤维间的氢键，从而将微纳结构完整、精确地复制到木材表面，实现了木材表面结构的尺寸范围从纳米到微米大跨度的图案的制备与调控。
       该团队通过使用不同的模板，成功制备出了尺度跨度从约40nm纳米半球到的尺度约50微米的压印图案。从这些图案的高清晰度和保真度可以看出，这种技术可以高效地获得复杂、多尺度的微纳图案。通过多次压印，该团队利用一维光栅实现了木材表面的二维点阵结构。这意味着通过有限的模板类型多次压印，可以在木材表面制备复杂的图案和多尺度的复合结构。
该团队还以木材微透镜阵列(MLA)展示其潜在的光学材料和技术应用。分别制备了凹透镜和凸透镜木材微透镜阵列，并通过光学显微镜成像，如图3所示，字母“F”的微缩图像得到了清晰的识别，显示了木材 MLA具有良好的成像能力。跟传统制备微透镜阵列的材料PS相比，木材MLA具有很好的热稳定性，在150℃的高温下，木材MLA没有任何结构改变仍然具有成像能力。木材表面微纳结构的获得开辟和拓宽了木材在新科技应用领域如生物降解和绿色光学、生物学和电子学等的应用可能性。
       Nature以“别再挑剔木材：它已经走入高科技（Don’t knock wood: an ordinary material goes high-tech）”进行了“Highlight”（https://www.nature.com/articles/d41586-019-03138-7）：“中国南京大学的祝名伟、马里兰大学的胡良兵及其同事将压印技术应用于木纤维，所得材料可以作为塑料的丰富替代品，如印有微观图案的木片可以用作微透镜阵列”。
       论文第一作者为现代工程与应用科学学院陈延峰教授18级博士生黄大方、硕士吴佳扬，以及美国马里兰大学博士后陈朝吉；通讯作者为南京大学祝名伟副教授和美国马里兰大学胡良兵教授，该论文同时得到了我院葛海雄教授和袁长胜副教授的大力支持。


       纳米压印技术，是通过光刻胶辅助，将模板上的微纳结构转移到待加工材料上的技术。目前报道的加工精度已经达到2纳米，超过了传统光刻技术达到的分辨率。这项技术最初由美国普林斯顿大学的Stephen. Y. Chou（周郁）教授在20世纪90年代中期发明。
       纳米压印技术分为三个步骤。
       第一步是模板的加工。一般使用电子束刻蚀等手段，在硅或其他衬底上加工出所需要的结构作为模板。由于电子的衍射极限远小于光子，因此可以达到远高于光刻的分辨率。
       第二步是图样的转移。在待加工的材料表面涂上光刻胶，然后将模板压在其表面，采用加压的方式使图案转移到光刻胶上。注意光刻胶不能被全部去除，防止模板与材料直接接触，损坏模板。
       第三步是衬底的加工。用紫外光使光刻胶固化，移开模板后，用刻蚀液将上一步未完全去除的光刻胶刻蚀掉，露出待加工材料表面，然后使用化学刻蚀的方法进行加工，完成后去除全部光刻胶，最终得到高精度加工的材料。


       祝名伟，南京大学国体微结构物理国家重点实验室、现代工程与应用科学学院副教授。研究领域为材料物理与化学。研究方向是光电功能材料、环境材料、智能材料、能源材料的设计、制备及应用研究。在包括Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Energy & Environmental Science、Nano Energy等在内的国际核心期刊（SCI）上发表论文20余篇，部分研究成果取得广泛影响，被CNN，The New York Times, CCTV，新华网、环球科学等报道。获中国发明专利12 项，美国发明专利5项。


       胡良兵，美国马里兰大学教授。2002年本科毕业于中国科学技术大学少年班，2007年在加州大学洛杉矶分校获得博士学位，2006年与他人共同创立Unidym公司，从事基于碳纳米管的柔性透明电极的大规模生产及其用于触摸屏、柔性OLEDs、太阳能电池的研究。2009年至2011年期间，以博士后的身份加入斯坦福大学崔屹课题组从事纳米材料和纳米结构用于能源器件的研究。目前是美国马里兰大学（帕克校区）副教授。研究兴趣包括：纳米材料和纳米结构，大规模的纳米制造，储能器件如固态电池、钠离子电池，印制电子。