木材是一种典型的可再生资源，由其制备的重组木材具有独特的“减碳固碳”优势，正逐渐成为助力“双碳战略”的重要力量。近年来，原位合成法因其工艺简便、反应条件温和、成本低廉等优势，在制备超疏水表面方面得到了广泛应用。该方法能够直接在基材表面生成纳米颗粒，从而构建微纳级粗糙结构，为材料赋予优异的超疏水功能。尽管原位合成法在多种材料上取得了理想效果，但纳米颗粒在重组木表面的原位生长过程和机制尚不明确，其已成为重组木纳米改性研究领域的关键科学问题。
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西南林业大学高伟团队的最新研究为这一领域带来了新进展。他们通过简单的水热法在桉木重组木表面成功原位合成了Cu4(SO4)(OH)6纳米颗粒，并阐明了纳米颗粒生长历程。该项工作首次揭示了Cu4(SO4)(OH)6纳米颗粒在桉木重组木表面的形核细节及其原位生长过程中的尺寸演变轨迹。Cu4(SO4)(OH)6纳米花在形核阶段获得了相同的初始前驱体，在之后的生长阶段，纺锤形和长条形的纳米颗粒以不同方式自组装成纳米花结构。此外，改性后的桉树重组木表现出优异的超疏水、抗紫外、防霉、耐湿及功能可逆性。这些与重组木表面Cu4(SO4)(OH)6纳米颗粒相关的原位生长动力学结果为重组木表面功能化改性提供重要参考。该工作以“In Situ Growth Mechanism of Nano Brochantite on Superhydrophobic Eucalyptus Scrimber”为题发表在《Advanced Functional Materials》（中科院一区TOP，IF 18.5），2025年1月29日被该刊遴选为封面论文。
图1. 超疏水桉木重组木制备流程及纳米颗粒形貌演变过程图2. 超疏水重组木表面纳米颗粒形貌演变过程(a-h)。TEM 形貌(上)和相应HRTEM图像(下)显示形核(a-c)和长大(d-h)过程，SAED(i-p)；在不同时间依赖性下平均生长速率和纳米颗粒的长度和宽度(q)：Cu(OH)2 和 Cu4(SO4)(OH)6的晶体结构(r)
在反应初期（1秒时），首先形成了单分散的球形纳米颗粒。15秒时纳米颗粒种子开始聚集形成团簇，边缘逐渐向外延伸。300秒后，纳米颗粒不断交叉堆叠并逐渐组装成纳米花结构。纳米颗粒的长度从0.29 μm增加到9.68 μm，宽度从0.29 μm增加到8.76 μm。结合SEM图像（图4a–f）可观察到，在生长的早期阶段（1-120秒），纳米颗粒主要经历了成核过程，更倾向于“核形成”和“核增长”。在300秒后，生长速率趋于稳定，纳米颗粒的几何形状不再变化。晶粒尺寸的持续增加表明此阶段已进入“晶体生长”阶段（图2）。
图3. 在不同反应阶段铜化合物XRD 图谱及其相应SEM。从下到上：反应时间为40 秒、300 秒、900 秒和 1800 秒时生成的铜化合物SEM 图（a1-4）、相应EDS（b1-4）和XRD 图谱（c1-4）；不同生长时间下纳米颗粒平均晶粒尺寸和结晶度（d）；不同晶面对应晶粒尺寸（e）反应时间从40秒增至1800秒，平均晶粒尺寸从13.62 nm逐渐增至28.45 nm，结晶度从34.38%提高到78.12%（图3d），(200)、(420)和(22-2)晶面的晶粒尺寸随着反应时间延长逐渐增加（图3e）。
图4. 纳米颗粒原位生长随时间变化的示意图。随时间变化的SEM（a-f）和相应的元素含量变化（g）、反应前驱体的原位生长、纳米颗粒前体和纳米粒子尺寸（红线和紫线）（h）Cu4(SO4)(OH)6纳米颗粒在桉木重组木上的形成主要经历了两个阶段。首先是形核阶段，前驱体纳米颗粒形成小的晶核，进而演变为球形团簇。在早期生长阶段，这些团簇进一步分化为纺锤形和长条形两种形态。长条形纳米颗粒通过各向异性累积和生长，逐渐形成初级纳米花，而纺锤形纳米颗粒则相互交错生长，形成由多个花瓣组成的花状结构（图4）。
图5. 超疏水桉木重组木的CA和SA随紫外照射时间的变化（a），紫外照射前后的实物图（b），紫外照射装置（c），桉木重组木样品在紫外照射前后色度图（d1-3），改性前后吸光度、反射率和透射率变化（e1-3）改性木材在340nm波长下表现出优异的抗紫外线性能。在107天（2568小时）连续紫外照射后，水接触角仍保持在150°以上，滚动角10°以下（图5）。该研究成果标志着重组木表面纳米颗粒生长机制解译的重要进展，为开发多功能、高耐久性重组木材料及其制品奠定了重要理论基础。西南林业大学2022级硕士研究生王柏淯和2023级硕士研究生郭薛利为论文共同第一作者，高伟教授为论文通讯作者，其他作者包括材料与化学工程学院博士研究生刘倩、硕士研究生戴佳慧、王玲玲以及罗蓓副教授、杨龙研究员和杜官本院士。该研究得到了国家自然科学基金(32260360)，云南省应用基础研究重点项目(202201AS070027)和云南省“兴滇英才”支持计划青年拔尖人才项目的资助。高伟教授团队近年来致力于木质先进功能材料基础研究和应用开发，在实木锯材、工程木质复合材料表面超疏水、自清洁、抗紫外、抗老化以及木质油水分离材料、光催化降解有机染料、甲醛和VOCs等木质功能材料领域开展了系统研究，已在Adv Funct Mater（封面）、Chem Eng J、ACS Sustain Chem Eng、Appl Surf Sci、Ind Crop Prod、J Environ Manage、Holzforschung、Wood Sci Technol等SCI期刊发表学术论文60余篇，部分研究成果已初步开始在企业转化，培养了多名硕士研究生获得国家留学基金委和国外高水平大学全额奖学金攻读博士学位。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202410280声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
