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ACS Nano | 南京林业大学符启良教授/中国科学技术大学俞书宏院士团队:发光木材水凝胶的结构和分子限域效应

2026-04-30 22:30:20

英文原题：Structural and Molecular Confinement of Luminescent Wood Hydrogel

通讯作者：符启良，南京林业大学材料科学与工程学院；俞书宏，中国科学技术大学化学系、合肥微尺度物质科学国家研究中心

作者：Shuai Wu (武帅)，Zhi Yang (杨智)，Linyu Chen (陈琳钰)，Yonghao Qiu (邱永豪)，Huashuo Ma (马华烁)，Qingfang Guan (管庆方)，Yahui Cai (蔡亚辉)

背景介绍

水凝胶作为一种高含水量的三维聚合物交联网络，在软体致动器、光学器件和组织工程等领域展现出广阔的应用前景。然而，传统纤维素基水凝胶多依赖于“自下而上”的构建策略，不仅制备过程能耗高、试剂用量大，难以实现规模化量产，其纳米尺度结构与性能之间的构效关系尚不明晰。另一方面，木材作为一种具有独特各向异性结构的天然多孔材料，如何使其具备各向同性的光散射效果，并深入揭示木材多孔骨架在纳米结构、分子限域效应方面的机理，仍是该领域亟待突破的关键科学问题。

图1. 发光木材水凝胶的示意图

文章亮点

针对上述挑战，中国科学技术大学俞书宏院士，管庆方研究员，与南京林业大学符启良教授合作开发出一种基于结构和分子限域效应的发光木材基水凝胶。通过将三维N-异丙基丙烯酰胺聚合物网络与表面羧基化的CdSe/ZnS量子点相结合，并利用木材纳米技术对木基水凝胶的纳米结构进行精确调控，增强了木基水凝胶的发光能力，同时也实现了各向同性光散射的效果。

图2. 发光木材水凝胶的形貌和结构表征

研究人员通过逐步化学处理，获得富含纳米孔道的多孔木材骨架。扫描电镜观察显示，经过处理后的木材细胞壁上形成了丰富的微纳米孔隙，比表面积从1.5 m²/g大幅提升至23.8 m²/g。进一步填充NIPAM单体和量子点并聚合后，木基水凝胶的比表面积进一步提高到46.1 m²/g，较天然木材提升了30倍，孔径尺寸分布在2-90 nm范围内。这些丰富的多级孔隙结构，为粒径在9-13nm左右的CdSe/ZnS核壳结构量子点提供了理想的空间条件。

图3. 木材水凝胶的光学和力学性能

研究发现，纯PNIPAM水凝胶的低临界溶解温度为34.2°C，而与木材支架复合后，WH和WH/QDs水凝胶的低临界溶解温度分别降至32.7°C和32.5°C。WH/QDs水凝胶在25°C下透过率达70–90%，呈透明态；升温至40°C后，PNIPAM链间氢键形成导致疏水基团暴露，材料转变为不透明态，表现出可逆的光学调控性能。力学性能方面，纯木材拉伸强度为180 kPa，填充NIPAM后WH水凝胶提升至420 kPa，加入量子点的WH/QDs水凝胶进一步提高至750 kPa。红外光谱表明纤维素羟基与PNIPAM酰胺基、量子点羧基间的氢键及共价键是增强主因。广角X射线衍射证实木材纤维素沿纵向高度取向（取向指数0.89），为复合材料提供了良好的力学基础。研究发现，WH/QDs水凝胶的光致发光强度显著高于PNIPAM/QDs和PW/QDs样品，这源于结构与分子双限域的共同作用。从结构上看，木材支架与NIPAM网络形成的丰富纳米孔隙对量子点形成有效的空间限域效应；在分子层面，PNIPAM聚合物与纤维素骨架形成的氢键网络使量子点表面的偶极子和羧基发生极化和约束，限制量子点运动并防止聚集猝灭，同时氢键的形成有助于量子点表面钝化，减少表面缺陷和不饱和位点，从而大幅提高辐射的协同效应，最终达到“1+1>2”的增强效果。

图4. 木基水凝胶的光致发光性能及应用

将WH/QDs水凝胶封装于双层石英玻璃之间构建了智能窗户，在模拟夏季条件下，相比于普通玻璃窗WH/QDs智能窗户升温慢且温度低。冬季模拟条件下，WH/QDs窗户升温速率高于普通玻璃、纯水凝胶和多孔木材样品，起到了冬暖夏凉的作用。这种智能调温性能与木材骨架和PNIPAM/QDs之间结构及分子限域的协同效应密切相关。与此同时，光学性能测试也表明WH/QDs水凝胶展现出优异的紫外屏蔽能力，可阻挡95-99%的紫外光。

总结/展望

本研究成功开发出一种具有各向同性光散射行为的发光木材水凝胶。通过木材纳米技术对木基水凝胶纳米结构的精确调控，形成了具有高比表面积丰富的微纳米孔隙结构。这些微纳米孔隙使量子点/PNIPAM能够有效填充在多孔木材骨架内。木材细胞壁经过PNIPAM增强，自发改善了发光木材水凝胶的力学和光学性能。研究发现，木材/PNIPAM/QDs水凝胶的光致发光强度显著高于多孔木材/QDs和PNIPAM/QDs水凝胶，这归因于偶极极化与CdSe/ZnS量子点空间限域的协同效应。这一发现为深入理解结构-性能关系提供了新视角，丰富和完善了木材纳米科学的理论基础，为先进木质材料、新技术和新理论的创新奠定基础。

相关论文发表在ACS Nano（2026, 20, 8, 6864–6874）上，南京林业大学材料科学与工程学院博士研究生武帅，硕士研究生杨智为该论文的共同第一作者，中国科学技术大学俞书宏院士和南京林业大学符启良教授为共同通讯作者，中国科学技术大学管庆方研究员共同指导完成。

通讯作者信息：

俞书宏中国科学技术大学教授

中国科学院院士，首批新基石研究员，中国科学技术大学杰出讲席教授，合肥微尺度物质科学国家研究中心首席科学家，安徽省仿生材料工程实验室主任。俞书宏教授长期从事无机合成和仿生材料研究，在仿生材料的设计制备及应用领域取得了一系列原创性成果。在《Science》、《Nature Materials》、《Nature Nanotechnology》等顶尖学术期刊上发表论文600余篇，被SCI引用11.04万余次，H因子178，2014—2025年连续入选全球高被引科学家。以第一完成人两次获国家自然科学二等奖（2010、2016），获2022年教育部高校自然科学奖一等奖、2021年中国科学院杰出科技成就奖（个人），2020年第二届全国创新争先奖章、国际水热-溶剂热联合会Roy-Somiya奖章等。担任国际期刊《Materials Chemistry Frontiers》、《The Innovation Materials》主编，以及二十余种国际期刊的顾问编委、执行编委或编委。

符启良南京林业大学教授

博士生导师，现为南京林业大学材料科学与工程学院教授，入选国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外），新西兰国家早期职业优秀青年获得者。主要从事木材物理、木材纳米技术、细胞壁拓扑学相关研究。主持国家重点研发计划项目、国家自然基金项目等7项。获得国际木材保护协会(IRG) Ron Cockroft Award学术奖等。研究成果在Nat. Commun.，ACS Nano，Nano Letters等国际学术期刊发表文章50余篇。

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