Новозеландские и швейцарские ученые превратили древесину в люминесцентный материал. Ученые растворили содержащийся в древесине лигнин, заменили его на раствор люминесцентных квантовых точек, а сверху покрыли материал гидрофобным полимерным покрытием. Получились гибкие и прочные пленки, которые могут светиться разными цветами.

Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.

Древесина — природный композитный материал, состоящий из целлюлозных волокон и полимера лигнина. Волокна целлюлозы в дереве расположены упорядоченно — мелкие волокна объединяются в более крупные полые структуры — это не только делает дерево более прочным, но и открывает пути для модификациии этого материала.

Цилиан Фу (Qiliang Fu) вместе со своими коллегами из Новозеландского научно-исследовательского института леса уже разработали на основе дерева гибкий материал для электроники. Ученые растворили входящий в состав древесины лигнин и заменили его на полимерные проводящие чернила — они состояли из модифицированного лигнина, пептидов и воды. В результате дерево превратилось в прозрачный проводящий материал. В своей новом исследовании ученые объединились со швейцарскими материаловедами под руководством Инго Бюргерта (Ingo Burgert), чтобы сделать древесину люминесцентной.

За основу нового материала взяли легкую и прочную древесину бальзового дерева (Ochroma pyramidal). Деревянные пластинки размером пятьдесят на двадцать пять миллиметров и толщиной один миллиметр последовательно опускали в растворы сульфита и гидроксида натрия, чтобы растворить лигнин. Освобожденные от лигнина деревянные пленки пропитывали раствором люминесцентных квантовых точек — наночастиц сульфида кадмия CdS в оболочке из сульфида цинка ZnS. После этого древесину прессовали, сушили и покрывали защитным слоем гексадецилтриметоксисилана.

В результате получился гибкий полупрозрачный (после растворение лигнина прозрачность для излучения с длиной волны 550 нанометров была 81 процент, добавление квантовых точек снизило ее до 70 процентов) материал. При возбуждении УФ-светом материал начинал люминесцировать — используя разные квантовые точки, ученые сумели добиться зеленого (длина волны 550 нанометров), оранжевого (длина волны 585 нанометров) и малинового (длина волны 645 нанометров) свечения.

Замена лигнина на квантовые точки снизила прочность материала — например, прочность на растяжение у немодифицированного дерева была 394 мегапаскалей, а люминесцентного дерева — 292 мегапаскалей. Тем не менее это все еще выше, чем прочность целлюлозных материалов, созданных искусственно, — по всей видимости из-за высокой степени упорядоченности целлюлозных волокон в древесине.

Ученые отметили, что пропитка гексадецилтриметоксисиланом заметно повысила гидрофобность материала — контактный угол смачивания у модифицированной древесины был 140 градусов, в то время как у немодифицированного дерева — всего 36 градусов. Это предотвращает впитывание атмосферной влаги и вымывание квантовых точек, а также делает материал более стабильным.

Схема предполагаемого производства люминесцентного дерева с помощью прокатной технологии / Fu et al. / ACS Nano, 2020

Технология производства нового материала проста, и ее можно будет осуществить с помощью прокатной технологии на уже существующих заводах про производству бумаги. В дальнейшем Фу и его коллеги планируют заменить квантовые точки CdS/ZnS на другие нетоксичные люминесцентные соединения Ученые надеются, что такая замена не только облегчит переработку люминесцентного дерева после использования, но и сделает материал дешевле.

Пока что новый материал планируют применять в декоративных целях — для изготовления люминесцентных фасадов зданий, потолочных световых панелей и даже светящейся мебели. Однако, ученые не исключают, что в дальнейшем материалы на основе люминесцентной древесины найдут применение в фотонике, лазерной технологии и других областях оптики.