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 造紙技術(shù)是中國古代四大發(fā)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(tǒng)藝術(shù)的重要載體，是中華民族寶貴的文化遺產(chǎn)，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(zhì)文化遺產(chǎn)。宣紙是傳統(tǒng)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(yōu)點，宣紙的種類繁多，制作工藝流程復(fù)雜，需經(jīng)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(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊特任副研究員管慶方等通過對傳統(tǒng)宣紙的詳細結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研制出了一種具有多尺度結(jié)構(gòu)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(jīng)過嚴格的上百道工序制成。在微觀上，該團隊發(fā)現(xiàn)宣紙內(nèi)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(wǎng)絡(luò)，這種仿生多尺度結(jié)構(gòu)賦予了宣紙高強度，高柔韌性的力學(xué)優(yōu)勢。受宣紙多尺度結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，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(jié)構(gòu)，制備了高性能高霧度透明薄膜。這種多尺度結(jié)構(gòu)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(yōu)異的綜合性能，并且可以通過卷對卷的工藝進行連續(xù)化生產(chǎn)?；谠摱喑叨缺∧ぶ谱鞯娜嵝越鼒鐾ㄓ嶋娐冯娮悠骷婢吒咄该鞫龋哽F度和優(yōu)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(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果以“Sustainable Multiscale High-Haze Transparent Cellulose Fiber Film via a Biomimetic Approach”為題發(fā)表于ACS Materials Letters上（ACS Materials Lett.2022, 4, 87−92）。

該薄膜多尺度雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過高密度的氫鍵網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)力分散在更廣闊的多尺度三維網(wǎng)絡(luò)之中，避免了應(yīng)力的集中，同時實現(xiàn)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(fù)原狀。這種多尺度薄膜還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，與廣泛使用的不可持續(xù)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(jīng)完全變軟變形。這些出色的力學(xué)、熱力學(xué)與光學(xué)特性，使其成為應(yīng)用于精密光學(xué)器件和柔性電子器件領(lǐng)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(xiàn)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(tǒng)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(shè)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。（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(yōu)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(dāng)大的光環(huán)區(qū)域，展示了薄膜的勻光性。

該工作受到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點基金、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目、合肥大科學(xué)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(shù)是中國古代四大發(fā)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(tǒng)藝術(shù)的重要載體，是中華民族寶貴的文化遺產(chǎn)，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(zhì)文化遺產(chǎn)。宣紙是傳統(tǒng)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(yōu)點，宣紙的種類繁多，制作工藝流程復(fù)雜，需經(jīng)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(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團隊特任副研究員管慶方等通過對傳統(tǒng)宣紙的詳細結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研制出了一種具有多尺度結(jié)構(gòu)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(jīng)過嚴格的上百道工序制成。在微觀上，該團隊發(fā)現(xiàn)宣紙內(nèi)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(wǎng)絡(luò)，這種仿生多尺度結(jié)構(gòu)賦予了宣紙高強度，高柔韌性的力學(xué)優(yōu)勢。受宣紙多尺度結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，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(jié)構(gòu)，制備了高性能高霧度透明薄膜。這種多尺度結(jié)構(gòu)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(yōu)異的綜合性能，并且可以通過卷對卷的工藝進行連續(xù)化生產(chǎn)。基于該多尺度薄膜制作的柔性近場通訊電路電子器件兼具高透明度，高霧度和優(yōu)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(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果以“Sustainable Multiscale High-Haze Transparent Cellulose Fiber Film via a Biomimetic Approach”為題發(fā)表于ACS Materials Letters上（ACS Materials Lett.2022, 4, 87−92）。

該薄膜多尺度雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過高密度的氫鍵網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)力分散在更廣闊的多尺度三維網(wǎng)絡(luò)之中，避免了應(yīng)力的集中，同時實現(xiàn)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(fù)原狀。這種多尺度薄膜還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，與廣泛使用的不可持續(xù)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(jīng)完全變軟變形。這些出色的力學(xué)、熱力學(xué)與光學(xué)特性，使其成為應(yīng)用于精密光學(xué)器件和柔性電子器件領(lǐng)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(xiàn)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(tǒng)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(shè)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。（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(yōu)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(dāng)大的光環(huán)區(qū)域，展示了薄膜的勻光性。

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

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