木材是人类最古老的材料之一，千百年来，主要应用在家具、人造板、建筑等传统领域中。随着木材科学与材料科学的逐步发展，木材自身的潜力逐步被研究人员挖掘出来，透明木材的问世则进一步颠覆人们对木材的认知。目前，透明木材的制备不管是采用甲基丙烯酸甲酯预聚物还是环氧树脂浸入脱除木质素的木材骨架结构中，制备得到的透明木材都是刚性材料，极大地限制了这种材料在柔性电子、可穿戴器件等柔性领域的应用。如何进一步突破木材的高附加值，是木材科学和材料科学研究人员共同追求的目标。

  夜光虫是一类生活在海水中的原生动物，它们在夜间由于海水波动的刺激能发光。受到海边夜光虫机械刺激发光功能的启发，中国林科院木材所研究人员研制出具有发光和电容双响应的超柔性透明木材电子皮肤，该电子皮肤采用40秒固化成型的超柔性透明木材薄膜为透明电极材料，此项研究成果发表在国际期刊Chemical Engineering Journal（影响因子IF=13.27，DOI：10.1016/j.cej.2021.132152），同时还收到封面论文发表的邀请，本文第一作者是唐启恒副研究员，邹淼博士研究生、常亮副研究员参与本项工作，郭文静研究员是本文通讯作者。

Figure 1 超柔性透明木材电子皮肤应用示意图

  当前制备透明木材通常采用轻木为原材料，轻木虽然具有天然的优势，但这种木材主要盛产美洲。速生杨是我国重要的经济林树种，生长快、产量高，如果能得到更高附加值的应用，对我国木材产业的发展将具有重要的意义。

  众所周知，环氧树脂分子结构中具有大量羟基官能团，正是这个基团使得研究人员可以通过高分子化学这把“手术刀”对环氧树脂分子结构进行调整，从而赋予其更多的性能。前期，研究小组人员正是基于这个角度考虑，采用柔性聚氨酯预聚物对环氧树脂进行改性，从而制备出柔性的环氧树脂，再将其浸渍入脱除木质素的薄片木材骨架结构中，固化得到的透明木材具有很好的柔性，于是研究小组提出“柔性透明木材”的概念，并将柔性透明木材制成薄膜，探索将其应用于柔性透明电极、手机屏幕等领域中（Nanoscale，2018,10,4344-4353），柔性透明木材已经获得国家授权发明专利。

  基于前期基础，研究小组人员将聚乙二醇二丙烯酸酯柔性材料浸入脱除木质素的超薄型杨木骨架中，开发紫外照射40秒固化的超柔性透明木材薄膜，将该薄膜作为透明电极，与含有ZnS：Cu（电致发光材料）的金字塔结构阵列的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜敏感层，按三明治结构组装成兼具发光和电容响应的双模式超柔性透明木材电子皮肤。

Figure 2 超柔性透明木材电子皮肤制备过程

  电子皮肤是模仿生物皮肤（人或者其他生物体）感知周围环境并对环境刺激进行实时响应的传感器，传感器可将刺激转换成信号指导受体模仿生物做出相应的动作。电子皮肤一般采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）这种材料作为柔性透明电极，然而这种材料因为PDMS质地过于柔软，在外界轻微压力刺激下即可变形，从而不能将轻微压力传递给电子皮肤敏感层，从而大大降低这种材料的低压敏感性。采用柔性环氧树脂制备的柔性透明木材薄膜虽然具有一定的柔韧性（弯曲直径11mm），但是应用于电子皮肤领域，其柔韧性仍然不够。于是，研究小组人员选择聚乙二醇二丙烯酸酯替代柔性环氧树脂，可制得超柔性透明木材薄膜，其弯曲直径为2mm。薄膜内部结构中的木材骨架又赋予其一定程度的刚性，从而非常有利于将轻微压力传递给敏感层。

Figure 3 超柔性透明木材电子皮肤电极层、敏感层以及组装示意图

  该电子皮肤的工作原理是：当皮肤表层受到外界压力刺激时，透明木材薄膜在压力作用下挤压金字塔结构，因为柔性透明木材薄膜质地比PDMS硬，因此该材料可以很好低将轻微压力传递给敏感层，压力下双侧电极间距变小，电容发生变化，从而赋予其很好的电容敏感性；此外，当双侧电极间距变小时，在外电场激发下，ZnS：Cu可发光，压力越大，发光强度越强，从而赋予其很好的发光敏感性。

  在轻微压力作用下（5<kPa），电子皮肤的电容发生显著的变化，其低压敏感性高达1.01 kpa^-1；当压力为5-80 KPa时，电容变化敏感性降低，而透明木材电子皮肤的发光敏感性显著增强，因此具有很好的中压敏感性（1.28 KPa^-1）；当外界压力作用于人体组织时，人体感受到疼痛时压力约为80 KPa，该电子皮肤在大于80 KPa压力下还保持0.15 KPa^-1的敏感性，显示出较好的疼痛感知性能。

Figure 4 超柔性透明木材电子皮肤刺激响应机理

Figure 5 超柔性透明木材电子皮肤的敏感性能以及应用

  超柔性透明木材电子皮肤的研制，进一步推动了木材的高附加值利用，也为电子皮肤绿色化发展提供良好基础。该项工作得到国家自然科学基金（31800484）项目的支持。

  研究小组长期以来对透明木质类材料开展大量研究，目前还研制出快速制备大幅面透明木（竹）材、高强度透明木（竹材）、超薄透明木材、柔性透明竹材等一系列新型木基复合材料。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132152