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  近期，北京林業大學許鳳教授團隊/湖北工業大學馮清華副教授團隊合作，創新性地提出了一種有別于傳統“脫木質素（delignification）”制備透明木材路線的木質素富集策略，成功制備出具有獨特近紅外選擇性的木基光學材料。

  2025年11月25日，該成果以“A lignin-enrichment approach for processing natural wood into highly NIR-selective optical filters”為題，發表在《Nature Communications》（DOI：10.1038/s41467-025-66639-2）。本工作由許鳳教授和馮清華副教授共同擔任通訊作者；2024級博士研究生余詩旭和2022級博士研究生胡愈誠為共同第一作者，兩人均在馮清華副教授指導下完成碩士階段學習，目前在許鳳教授課題組攻讀博士學位。

  與傳統制備透明木材的思路不同，作者反其道而行，在不刻意脫除木質素的前提下進一步提高木材中的木質素含量，將天然木材加工為具有高近紅外選擇性的木基濾光片（wooden filters）。該工藝流程簡便：首先將天然木材置于一定濃度的木質素/乙酸溶液中蒸煮，在軟化細胞壁的同時，使木質素溶液充分滲透進木材多孔結構以顯著提高木材中木質素的含量；隨后在清洗乙酸的過程中，富集的木質素自發組裝并固定于木材的微結構中，最后結合熱壓工藝對木材進行致密化處理，即可獲得wooden filters（圖1）。

圖1 Wooden filters的制備原理及其光學特性

  結構演變分析（圖2）表明，通過木質素富集（lignin enrichment）策略，細胞壁結構被有效軟化，大量木質素重新沉積并填充于木材的多孔結構中，使木質素含量由天然木材的約~20%提升至約~35%。在此基礎上，后續的致密化過程能夠更加充分地壓縮木材孔隙，并由富集的木質素實現緊密黏合作用。由此獲得的wooden filters不僅具有高度致密的內部結構，同時還擁有平整光滑的表面，為實現高近紅外透過率奠定了必要的結構基礎。值得注意的是，該工藝并未對纖維素的結晶結構以及木材天然的各向異性造成顯著影響。

圖2 從天然木材到wooden filter的結構演變

  通過對木質素化學變化的分析（圖3）可以看出，在致密化過程中，高溫作用會破壞木質素中的β–O–4結構單元，伴隨生成更多羥基，尤其是酚羥基。這些新增羥基有利于增強wooden filters內部的分子間相互作用。同時，熱壓后木質素苯環上的可反應位點數量減少，說明部分芳環可能參與了木質素的自鍵合（self-bonding）；這一推斷也得到了分子量增加（GPC）以及C–C鍵比例提升（XPS）等結果的支持。進一步的ESR測試表明，在高溫條件下，木質素分子會持續生成酚氧自由基，這些自由基可以通過共振形成多種活性中間體，并進一步發生self-bonding。得益于這一系列化學變化，wooden filters最終形成了致密且穩定的結構。

圖3 Wooden filters制備過程中木質素分子作用機制

  Wooden filters之所以具備高近紅外選擇透過性，除了得益于其致密的內部結構和平整的表面外，更關鍵的一點在于木質素本身具有對紫外–可見光的選擇性吸收能力。傳統透明木材通常通過脫除（或改性）木質素并對木材進行致密化處理，這一思路雖然能夠顯著提高可見光透過率，卻難以賦予木基光學材料優異的近紅外選擇性。相比之下，木質素富集策略使wooden filters同時獲得了出色的紫外–可見光屏蔽能力和高近紅外透過性：它們幾乎可以完全屏蔽600 nm以下的光，同時在近紅外波段的透過率可超過80%。這種獨特的近紅外選擇性是以往木基光學材料所不具備的，并且在本工作中表現出良好的可調控性和體系普適性（圖4）。除了優異的光學特性外，wooden filters還展現出出色的綜合性能，尤其是在阻隔性能方面，能夠有效防止水以及其他液體的滲透（圖5）。

圖4 Wooden filters獨特的近紅外選擇透過性

圖5 Wooden filters的綜合性能

  鑒于wooden filters獨特的近紅外選擇性透過特性，其可用于從太陽輻射中“篩選”并分離近紅外光。當太陽光穿過濾光片后，仍有~78%的近紅外光得以保留。在由氙燈與聚光鏡搭建的高強度模擬太陽光條件下（6000 W/m²），wooden filters在一小時照射內表現出優異的穩定性，并能有效阻隔多余熱量，使照射皮膚的溫度始終維持在約37°C。憑借上述特性，wooden filters在太陽輻射驅動的近紅外光療等應用場景中展現出良好潛力；同時也為再生林木生物質資源與太陽能資源的協同利用提供了新思路，有望在推動可持續發展與促進人類福祉方面發揮積極作用。

圖6 Wooden filters用于太陽近紅外輻射選擇性收集

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66639-2

通訊作者介紹：

  許鳳，北京林業大學教授，國家杰青，長江學者獎勵計劃特聘教授，國務院政府特殊津貼獲得者，國家“萬人計劃”領軍人才，擔任林木生物質化學北京市重點實驗室主任、纖維素協會學術委員會委員、國際木材科學院Fellow、愛思唯爾中國高被引學者、Industrial Crops and Products與Cellulose等SCI期刊編委。主要從事生物質組分清潔分離與高值化利用等研究工作。主持國家自然科學基金、國家科技支撐計劃、國家重點研發計劃、高等學校創新引智計劃等科研基金項目。在Nature Communications、Science Advances、Advanced Functional Materials、Nano Energy等SCI期刊發表論文300余篇，參編英文專著9部，主編中文專著2部，授權發明專利30余件，獲教育部自然科學二等獎1項、中國輕工聯合會科技進步一等獎1項、中國林學會梁希科技發明一等獎1項。

  馮清華，湖北工業大學材料與化學工程學院副教授。2012年獲華南理工大學博士學位，2012年加入湖北工業大學，于2015年3月在武漢大學天然高分子與高分子物理實驗室從事博士后研究工作，2023年9月在清華大學化工系任訪問學者。從事生物質基材料和特種紙的研究，主要集中在木質素基濾光片和膠黏劑、云母和芳綸紙基絕緣材料。近年來，在Research、Nature Communications、Progress in Materials Science、Biomacromolecules等主流期刊上發表了多篇論文。