竹源光激活室温磷光玻璃：可持续高性能光子材料的突破

本文报道了一种以竹材为原料、通过脱木素与环氧树脂（EP）复合制备的光激活室温磷光（RTP）玻璃材料（B-glass）。该材料具备卓越的机械强度（拉伸强度133 MPa、冲击韧性55.6 kJ·m?2）和可逆的光响应行为，其磷光寿命可通过紫外照射从21.1 ms延长至180.9 ms，并可在空气中因氧气再扩散而淬灭，实现动态开关。B-glass可作为可重构三维发光结构与多级光学信息存储的理想平台，为开发环境友好型自适应光子技术提供了新策略。

　　

1 引言

有机室温磷光（RTP）材料在光学显示、防伪、生物成像和辐射冷却等领域展现出广阔前景。实现高效RTP需满足两个关键条件：通过自旋轨道耦合增强系间窜越（ISC），以及通过分子刚性化促进三重态激子的辐射跃迁。尽管已有多种RTP材料被开发，如晶体、超分子组装体、金属/共价/氢键有机框架（MOFs/COFs/HOFs）及聚合物复合材料，但它们大多依赖石油基原料，存在环境可持续性问题，且普遍力学性能较差。近年来，生物质资源如木材、竹材、半纤维素、纤维素、木质素等被用于开发RTP材料，但具有光激活特性的可持续RTP玻璃仍属空白。本研究成功利用竹材制备出机械性能优异、具备光激活RTP特性的B-glass，为生态友好型光子材料提供了新思路。

2 结果与讨论

2.1 B-glass的制备与表征

天然竹材经酸性NaClO₂和H₂O₂处理实现脱木素，其组分从原来的纤维素48.39%、半纤维素25.16%、木质素26.45%变为纤维素85.87%、半纤维素13.95%、木质素0.18%。脱木素竹材保留了宏观纤维束结构，但出现裂缝与孔隙，为环氧树脂（EP）渗透提供通道。通过真空浸渍并固化，EP填充细胞间隙和细胞壁孔洞，形成三维互穿网络，构成透明高雾度的B-glass。X射线衍射显示B-glass保留了纤维素特征峰（16.0°和21.8°），但结晶度降低，提升了光学透明度。其拉伸强度达133 MPa，显著优于PMMA（57.7 MPa）、PS（37.5 MPa）、纯EP（73.2 MPa）和PC（60.0 MPa），且具备各向异性压缩强度和良好热稳定性（室温至200 °C）。

2.2 光激活RTP性能

B-glass在初始状态下几乎无RTP发射，但在365 nm紫外光（170 mW·cm^?2）照射下，其RTP强度与寿命逐渐增强，30秒照射后寿命从21.1 ms提升至180.9 ms，量子产额为4.1%。发射光谱显示荧光位于410 nm，磷光位于510 nm。该过程具完全可逆性：停止照射后，环境中氧气在7小时内重新扩散入材料，淬灭磷光；再次紫外照射又可激活。这一行为可循环多次而无明显性能衰减。此外，B-glass在潮湿环境甚至水下仍能发射磷光，且经168小时加速老化或三个月储存后性能稳定。除EP外，以PMMA为基质同样可实现光激活RTP，表明该现象具有一定普适性。

2.3 机理研究

对比实验表明，纯EP玻璃（E-glass）无RTP，脱木素竹材本身具RTP但易饱和，说明B-glass的光激活特性源于竹材与树脂界面效应。二维广角X射线散射（2D-WAXS）显示B-glass中环氧树脂穿透纤维素晶体引起晶格畸变，削弱了纤维素分子间作用力（结合能从-73.51 eV降至-36.91 eV）。这种弱界面结合导致结构缺陷，形成大量2–10 nm介孔，利于氧气/水分子渗透并淬灭三重态激子。氮气吸附实验证实了介孔存在。增加样品孔隙率或厚度会延长光激活所需时间，但不影响激活后的寿命。EPR谱证明紫外照射下空气中产生单线态氧（¹O₂），其信号在黑暗或氩气中消失。在氩气中，B-glass的RTP寿命达182.8 ms，为空气中的13倍，确认氧气是主要淬灭剂。此外，B-glass的氧气透过率（18.37 cm3·mm^?2·24 h^?1·0.1 MPa^?1）远高于PVA-竹复合材料（具良好氧阻隔性，RTP无需激活即发射），进一步支持氧扩散调控机制。光激活过程为：紫外激发产生三重态激子，其能量转移使氧气成为¹O₂，消耗局部氧气，形成缺氧微环境从而激活磷光；光照停止后氧再扩散，恢复淬灭状态。

2.4 应用展示

B-glass具有良好的可塑性，可通过模塑制成复杂三维结构，并保留光激活RTP特性。利用光掩模紫外照射可实现图案化信息写入：照射时无迹可循，光照停止后显影出高对比度RTP图案，7小时内随氧扩散逐渐擦除，支持重复写入。这一可逆行为可用于动态信息加密与光学存储，且无疲劳效应。

3 结论

本研究以竹材为基础，通过脱木素和环氧树脂复合制备出高性能光激活RTP玻璃（B-glass）。其卓越力学性能与可逆光响应行为得益于材料内部的缺陷结构及氧扩散-消耗机制。UV照射消耗氧气，延长磷光寿命至180.9 ms，而环境中氧气可逆淬灭发射。该材料在三维光结构设计与多级光存储中具应用潜力，且制备简便、成本低、原料可持续，为新一代生态友好光子材料的发展提供了重要方向。

4 实验方法

竹材经干燥后使用NaClO₂（2 wt%，pH=4.4–4.5，55 °C）处理24小时，再经H₂O₂（8 wt%）处理2小时实现脱木素，洗净后浸于乙醇中保存。脱木素竹材在真空下浸渍环氧树脂（树脂:固化剂=10:3）并固化48小时得B-glass。纯EP玻璃按相同比例固化制备。PVA-竹复合材料则通过将脱木素竹材浸于10 wt% PVA溶液中真空浸渍并干燥制得。

致谢

作者感谢中国林业科学研究院中央基本科研业务费（CAFYBB2023QB008）和广东省林业科学与技术重点实验室（SPU2024-07）的资助。

利益冲突

作者声明无利益冲突。