转自：中国科学报

厨房里，醋泡鱿鱼，手指轻抻，一层薄皮整片脱落——这个寻常百姓家的生活场景，却成为一项科研成果的灵感来源。

中国工程院院士、中南林业科技大学教授吴义强科研团队受鱿鱼皮剥离机制启发，开发出一种仿生精准剥离技术，从废弃竹青中制备出厚度仅10微米的天然纤维素光学模板，在透明度高达80%的基础上仍有88%的雾度特性，实现既能让光进得去又能把光散得开。该成果最近发表于Nano-MicroLetters，已成功申请国家发明专利。

受鱿鱼皮剥离术启发给竹子“剥皮”

光电器件的核心功能是实现光能与电能间的相互转换，捕捉和利用光线尤为关键。以太阳能电池为例，理想的光学材料需具备高透明度，让更多太阳光能穿透材料到达电池核心；也需高雾度，让光线在材料内部充分散射，避免局部强光直射导致能量浪费，从而提升光电转换效率。然而，传统的生物质衍生纤维素材料，始终无法突破兼具高透明度和高雾度的瓶颈。

目前制备这类材料，一是自下而上的分子级重构法，比如通过复杂工艺制造纳米纤丝，能做出透明度超90%的材料，但能耗极高、工艺繁琐且很难精准调控雾度；另一种是自上而下的天然模板法，直接利用木材、竹材的天然结构加工，但其最小可加工厚度通常大于1毫米，材料透明度不足40%、透光性差。

正当科研人员为这一难题发愁时，被长期忽视的废料竹青进入他们的视野。

树木有树皮，竹子也有一层“皮肤”来保护内部柔软的组织，它就是竹子外层那道带蜡质的“皮”——竹青。竹青通常呈鲜亮的青绿色，自然老化或被砍伐后变为黄绿色甚至黄褐色。竹材加工过程中，竹青因为表面覆盖着一层蜡质，很难与其他材料粘接，大多被当作废料丢弃。

“我们研究发现，竹青作为竹子的‘皮肤’，有着独特的细胞层级结构和均匀的孔隙分布，天然的纤维素网络让它具备成为高性能光学材料的潜力。”吴义强院士团队成员、中南林业科技大学教授左迎峰说。

“我们最初的思路是仿照透明木材的制备方法，将竹片脱木素后制成薄膜。但竹子和木材不一样，它的结构松散，处理过程中容易发黄、散架，难以形成理想的膜态。”左迎峰介绍，团队起初做了多轮相关实验，但都没有理想的结果。

团队没有陷入“或许多做几次也许就好了”的消耗战，而是专注把失败讲清楚。他们不断认识到，材料层级结构的限制导致竹片难成膜。那么，既然竹子本身就有“皮”，何不直接将其“拆”下来？

解决难题的灵感，往往来自日常生活。一次团队聚餐中，餐桌上的爆炒鱿鱼引来大家激烈讨论。鱿鱼的表皮很难直接剥离，但用食醋浸泡后，表皮就能轻易与肌肉分离。其原理是食醋中的乙酸破坏了鱿鱼表皮与肌肉之间结缔组织的胶原交联，让连接结构失去了强度。

“这个常见的烹饪技巧让大家眼前一亮。”左迎峰说，竹子的结构与鱿鱼有着惊人的相似，竹子的“肌肉”是内部紧密排列的纤维束，而竹青与纤维束间存在着一层由薄壁细胞构成的结缔组织，将竹青和内部纤维束牢牢粘在一起。

顺着这一思路，团队确定了新的研究方向：与其把竹子硬加工成膜，不如从竹子本身“拆”出一层天然薄膜。

找到“缝线”给竹子“脱外套”

如何将竹青从竹子上完整、无损地剥离下来？“传统脱木素更多是为了提取纤维素或改善颜色，而竹青整体剥离要求的是破坏连接组织、扰动细胞结构，这个过程更像‘拆线’，而不是把整块材料煮烂。”左迎峰说，团队需要制造一把“化学手术刀”，只切断竹青与竹肉之间的粘连，而不伤害竹青本身的核心结构。

基于这一仿生思路，团队尝试了多种酸法、碱法，但强碱会使材料变黑，有些方案反应强度不足难以实现理想剥离。按已有文献材料没找到最佳“配方”，他们转而研究关键试剂体系，希望让反应过程从经验走向可控。经过无数次实验筛选，过氧甲酸进入了他们的视线。

过氧甲酸有点“调皮”，它不是单一成分，反应过程中会产生副产品，还会自己分解后又重新组合，有效成分含量变来变去，想精准测出它的量费时又费力。但其反应过程伴随明显的放热效应，温度变化可作为反应强度的“实时指示器”。

“我们通过监测温度曲线，找到了反应的‘最佳窗口期’。”论文第一作者、中南林业科技大学博士研究生张源说，这个窗口既要保证反应强度足够切断连接，又不能过强以至于破坏竹青本身的纤维素骨架。当反应窗口被调控到位，竹青得以稳定、快速剥离。

记者在该团队的实验室看到，团队成员将切割好的竹片浸入过氧甲酸试剂中，在温和的温度下进行水浴加热。大约半小时后，薄壁细胞被逐渐破坏，原本与竹肉紧密相连的竹青，慢慢分离出来，最终形成了厚度仅为10微米的天然纤维素模板。这一厚度，仅为传统木材基模板的百分之一，相当于一张薄纸的十分之一。

更令人惊喜的是，这种剥离工艺具有良好的可扩展性。科研人员从一节10厘米高、8.4厘米直径的竹茎中，成功剥离出面积达270平方厘米的大尺寸竹青纤维素模板，超过了标准晶硅太阳能电池片的最大尺寸（243.4平方厘米），为后续规模化应用奠定了基础。

薄如蝉翼且兼具高透高雾

这张薄如蝉翼的竹青纤维素模板展现出优异性能，其在可见光范围内透明度约80%，同时雾度高达80%至88%。这一性能组合不仅远超传统木竹材基模板，甚至可与高能耗制备的纳米纤维素复合材料相媲美，而它却无需复杂的纤维原纤化处理，大大降低了生产成本。

通俗地说，它既能让光进得去，又能把光散得开。这种“透明+高散射”的特性，是光电器件光管理层非常想要的能力。

竹青纤维素模板的力学性能也不容小觑。实验结果显示，它保留了天然纤维素I型的晶体结构，纤维素链沿着细胞轴向有序排列，让它具备了很强的机械强度，纵向弹性模量达到903兆帕，纵向拉伸强度是切向的5.4倍，弹性模量是切向的4.3倍。这让它在柔性器件中也能保持良好的结构稳定性，不易破损。

“它像个全能选手，既轻薄又坚韧，光学性能还优异。”左迎峰表示，更重要的是，它完全源于天然生物质，是一种可持续材料，生产过程能耗低，契合绿色发展理念。

研究团队将这种竹青纤维素模板应用于多晶硅太阳能电池进行性能测试，发现将其作为多晶硅太阳能电池的光管理层后，器件光电转换效率从原来的18.74%提升至19.15%，绝对效率提升了0.41%。

“别小看这0.41%的提升，在太阳能发电领域，每提升0.1%的转换效率，都能带来显著的经济效益。”左迎峰说，按大型光伏电站的规模计算，这一提升意味着每平方米光伏组件的年发电量可增加约5千瓦时，对于百万平方米的大型电站来说，累计发电量增长十分可观。

“该研究的意义远不止于一种新型材料的诞生。”吴义强表示，我国是竹子资源大国，竹类资源、面积、蓄积量均居世界第一。竹地板、竹家具等加工过程中会产生大量竹青等废弃物，不仅浪费资源还会污染环境。这项研究开创了一种变废为宝的循环经济新模式，既解决了林业废弃物的处理难题，又为光电子产业提供了低成本、可持续的新型功能材料。

相关论文信息：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01867-1