中南林业科技大学吴义强院士等：仿生剥离超薄竹青纤维素骨架助力光电器件的光管理

研究背景

光电器件(如太阳能电池、柔性显示器等)对高雾度高透明材料的需求日益增长。传统生物质衍生的纤维素材料在雾度与透明度之间存在难以调和的矛盾。当前纤维素光学材料的制备主要面临两大技术路线的权衡：1)自下而上法(如TEMPO氧化纳米纤丝)：通过分子级重构可获得高透明性(>90%)，但存在能耗高、雾度调控难、工艺步骤复杂等问题；2)自上而下法(如木材/竹材模板)：虽保留天然结构，但其最小可加工厚度通常≥1毫米，在此厚度下透明度不足40%，且需通过压缩或填充折射率匹配物质来改善光学性能。竹青是竹材加工中的废弃外层，因其表面蜡质阻碍粘接而长期被忽视。然而，竹青作为竹子的表皮，具有独特的细胞层级结构和天然的纤维素网络。与木/竹材基纤维素光学材料相比，竹青具有更薄的纤维素模板和更均匀的孔隙分布，成为潜在的理想材料。实现结构完整的精准剥离，是突破竹青应用瓶颈的关键。

Bioinspired Precision Peeling of Ultrathin Bamboo Green Cellulose Frameworks for Light Management in Optoelectronics

Yan Wang, Yuan Zhang, Yingfeng Zuo*, Dawei Zhao, Yiqiang Wu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 19

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01867-1

本文亮点

1. 仿生剥离策略：受鱿鱼皮剥离机制启发，开发了基于过氧甲酸(HCOOOH)的精准剥离技术，从毛竹中成功制备出厚度仅10 μm的天然纤维素模板，仅由单层细胞构成。

2. 可扩展且稳定的剥离工艺：实现了竹青纤维素模板的可控生产，展示了其在可持续光学材料应用中的巨大潜力。

3. 优异光学性能：兼具88%的高雾度和80%的高透明度，性能超越传统生物质基纤维素模板和纤维素基复合材料；作为光管理层应用于多晶硅太阳能电池，光电转换效率(PCE)提升0.41%(绝对效率)，优于合成抗反射层。

内容简介

纤维素骨架模板因其优异的光散射能力和可持续性，成为光管理领域的重要材料。然而，传统生物质衍生的纤维素骨架在雾度和透明度之间存在权衡，且厚度通常≥1 mm。受鱿鱼皮肤剥离机制的启发，中南林业科技大学吴义强院士、左迎峰教授等人提出了一种过氧甲酸(HCOOOH)辅助的精准剥离策略，成功分离出10 μm厚的竹青纤维素模板，其厚度仅为木材基模板的1/100，同时在透明度高达80%的基础上具有88%的雾度特性。这一性能超越了木/竹材基纤维素模板(1 mm厚度下透明度<40%)，与纳米纤维素复合材料相当，且无需高能耗的纤维原纤化处理。竹青纤维素模板保留了天然纤维素I的晶体结构(结晶度64.76%)和蜡包覆单轴纤维素链排列(Hermans因子：0.23)，具有高机械强度(模量903 MPa)和宽带光散射能力。作为多晶硅太阳能电池的光管理层，该模板使光电转换效率绝对提升0.41%(18.74%→19.15%)，优于合成抗反射层。

图文导读

图1. 竹青剥离的“仿生策略”示意图。

I 竹青的仿生剥离策略

鱿鱼筒的表皮通过富含胶原的结缔组织与肌肉相连，烹饪时通常会去除这层表皮以保证肉质口感。如图1所示，去除过程中，常用食醋(乙酸)浸泡鱿鱼筒，破坏结缔组织中胶原链的交联，使失去原有的连接强度，从而能轻易剥离表皮(左侧鱿鱼解剖图)。毛竹具有类似的”皮肤-肌肉”结构(右侧竹材解剖图)，竹子的”肌肉”主要由纤维束构成，这些纤维束通过薄壁细胞(“结缔组织”作用)与竹青相连。薄壁细胞的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中木质素起粘合作用。因此，破坏薄壁细胞层及其细胞壁中的三种交联组分(纤维素、半纤维素、木质素)，即可实现竹青的剥离。因此，需要开发精准的薄壁细胞层分离方法。

图2. a 毛竹表皮系统的SEM图像；b 毛竹表皮系统的三维示意图；c 从细胞到分子水平的薄壁细胞破坏机制示意图；d 处理前后竹材样品的FTIR对比分析；e 处理竹材样品的高分辨率C 1s XPS谱图；f 未处理竹材样品的高分辨率C 1s XPS谱图；g 纤维素和半纤维素乙酰化导致的氢键断裂反应；h 半纤维素与木质素间苯基糖苷键的水解反应。

II 竹青的结构与剥离机制

高分辨率SEM成像揭示了竹青独特的三层结构(图2a、b)。表皮层具有较厚的角质沉积，皮下层以加厚的细胞壁为特征，皮层主要由薄壁细胞组成。与表皮和皮下层细胞相比，皮层中的薄壁细胞直接与竹子”肌肉”(纤维束)相连，具有丰富的纵向纹孔、较薄的细胞壁和更大的体积(图2a)。这种独特的结构使其表面孔隙率高达~71%(维管束仅为50.5–20.3%)，因此薄壁细胞比周围组织更易受化学处理影响，是选择性去除薄壁细胞、保留周围结构的关键。

薄壁细胞的破坏主要源于其细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素的降解(图2c)。半纤维素通过羟基氢键包覆在纤维素微纤维表面，而木质素则通过共价键与半纤维素形成木质素-碳水化合物复合物(LCCs)。过氧甲酸(HCOOOH)因其高反应活性和丰富的活性组分(如HO⁺、HCOOO⁻和H⁺)，能高效降解细胞壁中的木质素、半纤维素和纤维素。FTIR和XPS分析(图2d-f)证实了过氧甲酸与纤维素和半纤维素发生氧酰化反应，羟基被甲酰基取代(图2g)。半纤维素的糖苷键在酸性条件下易被H⁺攻击断裂(图2g)，含量下降55%(NREL法)，而木聚糖(占半纤维素>90%)的降解尤为明显(FTIR中1732 cm⁻1峰减弱)。另外，木质素-碳水化合物复合物(木聚糖)中的苯基糖苷键易水解(图2h)，LCC断裂。过氧甲酸作用下，这些协同反应破坏了纤维素-半纤维素-木质素网络，最终将导致竹青细胞层结构分离和细胞壁瓦解。

图3. a 竹青纤维素模板制备流程示意图；b 竹青剥离的三个阶段：初始形态、部分剥离和完全剥离；c 置于9 cm培养皿中的竹青纤维素模板；d-f 光学显微镜及 g-i SEM横截面图像：未处理竹材、剥离后竹材和竹青纤维素模板。

III 剥离过程与竹青纤维素模板制备

如图3a-c所示，竹条(8 cm × 3 cm × 0.8 cm壁厚)浸入过氧甲酸(HCOOOH)试剂中，并在温和温度下水浴加热直至竹青完全剥离。该过程成功制备出天然纤维素模板(图3b, c)，证实了HCOOOH对连接层薄壁细胞的选择性破坏作用。处理前观察到，竹青与竹肉之间存在清晰边界(图3d)，通过完整的薄壁细胞层相连，而竹肉本身由排列紧密、结构有序的纤维束组成(图3g)。竹青剥离后，纤维束保持原有构型和结构完整性(图3e)，而薄壁细胞层被完全去除，仅留下裸露的纤维束(图3h)。最终获得的剥离模板展现出独特的单层细胞结构(图3f, i)，证明HCOOOH处理能精准作用于薄壁细胞层，同时完好保留周围组织结构。

图4. 竹青纤维素骨架模板的细胞结构与光学表征。a-c实物图及SEM图像；d 纤维素微纤维结构示意图及纤维素模板中的光传播机制：弹道传输(透明)vs.多重散射(雾度)；e-h 横截面图像对比：e,f 脱木素杨木基模板，g,h 脱木素竹材基模板；i 三种生物质基纤维素骨架模板的宏观透明展示；j 550 nm波长下三种材料的透光率/雾度定量比较：1) 竹青基，2) 杨木基，3) 竹材基纤维素模板。

IV 竹青纤维素模板的光学特性

天然竹青衍生的纤维素模板完整保留了原始细胞结构，其外表面可见明显的气孔，内层则呈现与皮下组织粘连的褶皱形态。与木材/竹材基模板不同，该模板仅由单层细胞构成，无需机械压缩即具有微米级完整纤维素骨架模板(图4a-c)。

当光线通过竹青纤维素模板时，会产生反射、透射、折射、吸收和散射等多种光学现象。在弹道传输区域(低光学厚度)，极弱的光干扰使其呈现高透明度(550 nm波长下81.09%，图4j)；而多重散射则会导致不透明，这正是木/竹基生物质模板的典型缺陷。对比研究表明(图4e-h)，未压缩的木材/竹材基模板厚度通常达竹青模板的100倍，其多级细胞结构造成固有的高雾度(>95%)和低透光率(550 nm下<50%，图4i-j)。这类材料需通过减薄至≤100 μm并进行折射率匹配(如PMMA渗透)才能接近竹青模板的光学性能。而竹青模板天然地具备81.09%透光率和86.33%雾度的优异组合(图4j)，完全避免了这些高能耗加工处理。

图5. a 二维广角X射线散射(2D-WAXS)图谱；b 木材基、竹材基和竹青基纤维素模板的XRD谱图；c 竹材基与竹青基纤维素模板的FTIR谱图对比；d 纤维素(002)、(101)和(040)晶面相对位置示意图；竹青纤维素模板纤维素链取向示意图：e 侧视图，f 平面图，g (002)晶面的方位角强度分布(I-azimuth)；h 竹青纤维素模板切向与纵向加载的应力-应变曲线及i 拉伸强度和弹性模量对比。

V 晶体结构与力学性能

通过2D-WAXS(图5a)和XRD(图5b)分析表明，竹青纤维素模板呈现典型的纤维素I型晶体结构，其结晶度指数为64.76%，虽低于竹材基和木材基模板，但赋予了非晶区纤维素链更高反应活性。FTIR谱图(图5c)显示，蜡质层的包覆显著改变了纤维素和半纤维素特征峰。晶体学分析(图5d-f)证实纤维素链沿细胞轴向(b向)排列，(002)晶面法线垂直于生长方向，其方位角强度分布(图5g)呈现典型的单轴对称特征(Hermans取向因子f=0.23)。力学测试(图5h-i)显示竹青纤维素模板具有显著各向异性，纵向拉伸强度和弹性模量分别达切向的5.4倍和4.3倍，这与其(002)晶面平行于细胞壁的优先堆叠方式密切相关。

图6. 竹青纤维素模板的光学性能及应用。a 光学透明度展示；b置于彩色图案上方5 mm处的光散射演示；c 10 cm长×7.5 cm宽竹青纤维素模板；d 400-800 nm波长范围透光率与雾度；e 竹青纤维素模板集成至晶硅太阳能电池的示意图；f EVA封装的竹青基纤维素模板；g AM1.5G光照下纯EVA与EVA-竹青纤维素模板封装太阳能电池的电流-电压(J-V)曲线：半透明曲线为五组独立重复实验数据，加粗曲线为平均值；h 光电转换效率(PCE)对比：EVA-竹青纤维素模板与纯EVA封装电池(每组n=5，误差棒表示标准偏差，虚线标定平均PCE提升0.41%绝对值)；i 晶硅光伏器件PCE提升性能对比。

VI 光电应用性能

通过积分球紫外/可见分光光度计测试表明(图6a,d)，竹青纤维素模板在波长>450 nm时透光率超过80%，得益于其微米级厚度及短光程，同时在可见光谱范围(400-800 nm)内雾度高达80%-88%(图6d)。当竹青纤维素模板置于毛竹图片上方5 mm时，图案明显模糊(图6b)，反映其散射特性。单节竹茎(10 cm高×8.4 cm直径)能够完整剥离竹青，产出面积270 cm2的大尺寸竹青纤维素模板(图6c)，超过标准晶硅片最大尺寸(243.4 cm2)。当该模板与光伏级EVA封装结合时(图6e, f)，使多晶硅电池(12 cm2)的光电转换效率绝对值提升0.41%(18.74%→19.15%，图6g, h)，经3组独立器件、每组5次重复测试验证(p=0.018，η2=0.489)，性能优于传统Eu3⁺掺杂EVA抗反射层(图6i)。

VII 总结

文章针对生物质基纤维素材料光学性能优化难题，创新性地开发了以毛竹竹青为纤维素模板的仿生剥离技术。通过过氧甲酸(HCOOOH)选择性破坏竹青与竹肉之间的薄壁细胞连接，成功制备出10μm厚的完整竹青纤维素模板，同时保留了其纤维素I型晶体结构(结晶度64.76%)和单轴纤维素链排列(Hermans因子0.23)。该竹青纤维素模板具有88%雾度与80%透光率的光学特性，性能显著优于脱木质素木材/竹材基纤维素模板，并可媲美纳米纤维素复合材料。其各向异性力学性能突出，纵向拉伸强度和模量分别达到切向的5.4倍和4.3倍。作为多晶硅太阳能电池的光管理层，竹青纤维素模板使光电转换效率绝对值提升0.41%，性能超越Eu3⁺改性EVA抗反射层。竹青的天然纤维素-蜡-硅杂化结构能拓展出该模板在疏水表面、硅碳复合材料等方面的多功能应用场景。该技术将工业废弃物转化为高性能光学材料，相比高能耗的纳米纤维素生产工艺，这种”变废为宝”的策略契合循环生物经济理念，其剥离设计思路对新型光学材料的开发具有重要启示意义。竹青纤维素模板有望在光电转换、柔性显示等领域实现规模化应用。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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