中国林科院木材所唐启恒AFM：揭秘竹子定向光传导机制，继爱迪生发明竹灯丝后，竹子再次实现光照明

高分子科学前沿

2025-01-04 07:52发布于浙江

竹子，贯穿着中华上下五千年文明史，无数文人墨客寓情于竹、借竹言志，将竹文化渗透到中华民族物质和精神生活，构成了独属于中国人的浪漫。比如：《诗经·卫国·淇奥》中的“瞻彼淇奥，绿竹猗猗”，又如“宁可食无肉，不可居无竹”。据历史记载，竹灯笼是最早利用竹子制造人们日常生活用品的物件之一，也是人们探索竹子与光相互作用关系的雏形。竹子经亿万年进化衍生出具有令人惊叹的分级精细构型特性，能否通过现代微纳光子学、细胞壁工程学及生物拓扑构型等多学科的耦合优化，换发新的灵光，创制出超常性能的未来光学复合材料？

激光照明具有超大功率、高亮度、智能控制等独特优势，有望成为下一代照明技术。定向照明器件，被广泛应用于飞机着陆灯、水下探照灯、深海勘探和光通信等领域，这些器件通常由发光二极管(LED)与发光角度、偏振可调的几何光学元件（衍射光栅、透镜阵列等）组成。尽管精心设计的纳米光学元器件为定向照明作出了巨大的贡献，然而，转换效率下降、亮度低、制造工艺复杂等仍然是这类光电器件难以逾越的鸿沟。

天然竹子因其独特的细胞分级结构而表现出高度方向性，在微尺度下，竹细胞具有很大的长径比，这与光学微腔阵列结构极为相似，是用来制造定向照明器件的理想材料，而透明竹材（亦叫透光竹材、竹玻璃等）是近几年创制的新型竹制复合材料，又为光在竹子中的传播奠定了良好的基础。

正是在这一天然结构的启发下，中国林科院木材工业研究所木质复合材料研究室唐启恒研究小组提出将Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺、折射率与纤维素不匹配的树脂同时浸入具有定向结构且脱除木质素（或脱除木质素发色、助色等基团）的竹材微观孔隙，制备“竹质激光散射体复合材料”。竹材的定向结构特性不仅可将束状聚集的激光在3D空间进行散射，还引起光线在不同方向上的传播存在显著差异，竹纤维、薄壁细胞等在平行于生长方向排列更加整齐，光线在传播过程中遇到的细胞壁、细胞腔界面更少，光衰减更低，透光率更高；垂直于竹纤维方向上，光线在传播过程中会遇到更多细胞壁、细胞腔界面，这些界面会导致光线反射和散射，降低透光率，这个结构导致光的空间散射呈现椭圆分布，从而实现定向激光照明。

该项工作是继爱迪生在1880年利用竹灯丝实现电灯泡商业化之后，科研人员再次利用竹子制造光源，实现白光照明.研究成果以“Aligned Fiber Induced Laser-Driven Bamboo Diffuser Enabling Highly Directional Illumination Applications”为题发表于《Advanced Functional Materials》。唐启恒副研究员为本论文的通讯作者，第一作者为在读博士生张杰，参与该项工作还有在读博士研究生张镭、硕士研究生孟源。郭文静研究员和常亮研究员对本工作提出大量宝贵的意见和建议。这也是研究小组在前期利用天然木材制备全色域激光照明木质材料、透明木材、透明竹材等工作的延续（AM, 2024, 36, 2306593，CEJ, 2022, 430: 132152；ACS SCE, 2022, 10: 2097−2106；Nanoscale, 2018, 10(9): 4344-4353）。

图 1 竹质激光散射体复合材料的制造及定向照明示意图

爱迪生是世界上第一个利用竹子来实现照明。1878年9月，爱迪生和助手利用棉线碳化之后做成碳丝，电灯泡持续亮了45小时，但是无法满足商业化应用。在1880年的时候，爱迪生在一个偶然的情况下，发现竹子制备的灯丝可以实现长时间的发光。于是他派考察者到世界各地收集竹子来制造灯丝，最终发现来自日本京都八幡的竹子碳化后得到的竹丝把白炽灯的寿命最长延长到了1250小时！在1882年9月，爱迪生电灯公司铺设的电网和电灯系统正式付诸应用，其中的灯泡灯丝全部都是竹丝做的。尽管现代光源发生翻天覆地的变化，不能否认的是，人工光源研发史上最大的里程碑恐怕永远都是爱迪生的竹丝灯泡。

图2 爱迪生和竹丝灯泡

我国素有“竹子王国”的美誉，在当前“以竹代塑”的国家大战略背景下，充分利用多学科交叉的方式构建变革性复合设计新理论和制备新技术，突破传统竹质复合材料的性能边界，对推动我们在面向世界科技前沿领域和绿色低碳高质量发展具有重要意义。基于激光的长时间输出功效及竹质激光散射体复合材料的高耐热特性，利用竹子创制的定向照明竹质光源理论上可以实现无线时长照明，在航空航海照明、军用手电、激光显示屏、机器视觉等定向照明领域具有巨大应用潜力。

苏东坡非常喜欢竹子，他在惠州任宁远军节度副使时曾经写到：“食者竹笋，庇者竹瓦，载者竹筏，爨者竹薪，衣者竹皮，书者竹纸，履者竹鞋，真可谓不可一日无此君也耶！”1000年后的今天，我们可以在苏东坡诗句的后面补上一句“照者竹光源”。

该项工作得到国家重点研发计划(2023YFD2201404)、国家林草局青年拔尖人才项目(2022132007)和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（CAFYBB2023MB021）的资助。

图3 竹材、聚合物、LDBD的微观结构及其与450nm激光之间的相互作用

图4 激光在LDBD中的定向光散射机制与理论模型

图5 LDBD水平光照度分布与定向纤维排列

图6 LDBD的可加工性、热稳定性、机械性能、耐水性以及与天然竹材和聚合物的综合性能对比

图7 LDBD的光学性能以及在前沿定向照明领域的应用

来源：高分子科学前沿

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