随着人类对石油基材料及化学品需求的不断增加，导致各种环境及能源危机问题日益严重。当前世界正从依赖化石能源的时代过渡到更多依靠可再生和可持续能源供应的时代。在这个时代的转变中，树木作为最丰富的可再生生物资源，将在我们未来的可持续发展中发挥越来越重要的作用，同时也引起了人们将其用于先进材料和生产的广泛关注。树木包含复杂的结构和组分，尽管已有大量的综述性工作报道了木材基功能材料及器件的先进应用，但鲜有工作系统的总结树的各个部分的结构、化学特性及其在能源、电子器件、生物医学和环境等应用领域的最新研究进展。
【成果简介】
鉴于在树基功能材料领域的创新工作与积累，近日，Advanced Materials在线刊登了美国东北大学祝红丽教授团队关于树基生物聚合物作为可持续多功能材料的研究进展的总结。题目是“Biopolymers derived from trees as sustainablemultifunctional materials: a review”（DOI：10.1002/adma.202001654），刘超博士为论文的第一作者。文章首先系统的总结了树木不同部位（树干、树皮、树叶、花、种子以及根）的结构、化学特性和生物聚合物基功能材料的制备方法，尤其对生物聚合物基功能材料在能源、电子器件、环境、生物医学等领域的研究进展做了着重介绍（图1），最后对这些功能材料进一步市场化所需解决的问题和未来的研究方向做了展望。
【研究内容】
1.树干的结构、化学组分及先进应用。
1.1受木材分级结构启发的功能材料及应用
树干作为人类使用树木的最重要的部分，因其成本低廉，重量轻，具有高的强度、韧性，易加工性和耐用性，已经被广泛用于燃料、建筑、家具制造等领域（图2）。木材固有的机械强度之所以能够实现工程应用，主要是由于其宏观，微观和分子结构（包括具有不同微细纤维取向的S1-S2-S3层组成的细胞壁，氢键以及晶体结构和分子间/分子内的不同联接键）。同时，木材从分子到微观细胞壁到宏观纤维的这种独特的分级结构也启发着人类探索更多关于木材的先进功能材料及器件。木材固有的物理和化学特性（包括微观层次的多孔结构和定向排列的通道，各向异性的细胞壁原纤维和大量的氢键）为应用提供了可能，同时这些特性也将被用于木材的进一步功能化（图3）。另外，作者也提出了在进行这些研究时应该注意的问题：（1）由于不同树种的细胞几何结构存在显着差异，甚至同一物种生长在不同区域，其多孔结构和通道也可能不同，因此，在木基功能材料和器件制备中，识别适合于特定应用的具有不同微观结构的各种木材仍然是需要进一步研究的课题。（2）在研究木材基的功能性工程材料时，包括机理阐述的片面性、脱木质素的均匀性仍然存在着很大的挑战。
1.2 木材的化学组分及其生物聚合物基新型功能材料及器件
木材的化学组分主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。文章在这一部分首先简要的讲述了木材中的纤维素、半纤维素、和木质素这三种生物聚合物的基本结构、制备及提纯方法。然后着重的介绍了近几年来纤维素基、半纤维素基和木质素基功能材料和器件的制备及其在能源、电子器件、环境及生物医学领域的先进应用：
首先，得益于纳米纤维素的独特结构，使其具有优异的力学性能、较低的热膨胀系数、较高的增强潜力和透明度，是智能材料和产品理想的构成元素。文章详细总结了近期纤维素纳米纤维（CNF）和纤维素纳米晶（CNC）基的先进功能材料，如一维（1D）纤维、二维（2D）薄膜和纸张、三维（3D）水凝胶和气凝胶，这些材料是以纳米纤维素为基础，通过自下而上的方法制备而成，如图4~图7。
接着，文章总结了半纤维素经改性合成新型的半纤维素基衍生物的研究进展，详细阐述了其在生物医学、包装等领域的应用（图8）。
然后，文章又概述了将木质素转化为高附加值材料用于储能、生物医学和吸附的最新研究进展，如图9~图10所示。
2.树木的其他部位用于可持续多功能材料
现有大量的高质量综述性论文专注于总结木材基的先进功能材料及器件。尽管近些年来也涌现出大量的关于树木的其他部位，包括树皮、树叶、花、种子和树根，用于可持续功能材料的研究性论文。但鲜有综述性论文对其进行详细的总结，接着，文章结合树木不同部位的结构特点、化学组分及特性详细的阐述了树木不同部位及其内部生物聚合物基功能材料在能源、结构材料、电子器件、环境及生物医学等领域的应用：
2.1 树皮衍生的先进功能材料
树皮丰富，可再生，廉价且可广泛获得，但树皮在木材工业中通常被视为废料。近年来，树皮的高值化利用越来越受到研究者的重视，文章总结了树皮高值化利用的最新研究进展，讨论了树皮衍生的多功能材料和应用的代表性示例（图11）。
2.2 树叶衍生的先进材料和器件
树叶通过光合作用将光能转化为化学能，储存在多糖等碳水化合物分子中，为树木提供能量和营养物质。树叶含有多种成分，如多酚、植物色素等，可为吸附提供活性位点；以及抗菌，催化活性等的提取物。这些固有特性为叶子的应用提供了巨大的潜力，文章主要概述了叶子衍生的材料在环境、催化和能源领域的最新研究进展（图12）。
2.3 花衍生的先进材料和器件
接着，文章阐述了实现花的高值化利用的两种主要途径：（1）将花中提取的染料作为集光材料和氧化还原材料应用于储能领域；（2）对花进行一步热解活化处理，得到可用于环境吸附和储能领域的活性炭（图13）。
2.4 种子衍生的功能材料和器件
然后文章总结了各种类型的种子和榨油后的种子废弃物用于功能材料的应用现状和潜力，如种子中提取的成分用于制备功能材料和器件，种子或种子废料制备碳基材料用于能源和环境应用（图14）。
【总结与展望】
在这篇综述中，系统地回顾了树木不同部位的生物衍生材料在可持续功能材料方面的最新成就。树木不同部分的应用因其化学成分和结构而异。传统上，木质产品已用于建筑，家具，运输，燃烧和造纸。最近，人们进一步探索了木材的固有结构和成分，以进行材料功能化和设备制造，包括分层结构和介孔结构，各向异性的细胞壁排列，分子的化学特征和氢键等。树木的生物聚合物具有独特的特点。例如，纳米纤维素已被用作构建基块，以设计各种先进的材料和构造，并在能源，电子和生物医学领域得到广泛应用。疏水化可以促进半纤维素的许多工业应用。最近的工作表明，疏水化后的半纤维素可广泛用于生物医学领域（例如，伤口敷料和药物释放）和运输包装领域。树皮中的单宁和从花中提取的染料由于其芳香结构和提供可逆氧化还原位点的各种活性基团，也已用于能量存储。来自种子的多糖具有优异的成膜性和生物相容性，在生物医学研究中引起了极大的兴趣。已经开发出具有良好还原性的叶提取物用于金属纳米颗粒合成。此外，树的不同部分中的成分可用于通过碳化来制造活性炭，这在能量存储和环境吸附领域具有潜在的应用。
尽管在各个研究领域都研究了树木的生物聚合物的材料，结构，性能和应用之间的关系，但是由于不同树木类型甚至不同地区的同一棵树木的细胞几何结构存在显着差异，因此其结构和组成可能有很大的不同。因此，在木质材料和设备中应进一步考虑具有适当微观结构的木材多样性。为了将树木的结构和材料商业化以进行新的应用，需要做出各种努力，包括：（1）开发环境友好的绿色途径以生产基于树木的衍生物或可持续的功能材料；（2）提高材料和设备的可扩展性，寿命和耐用性，以确保它们为预期的应用程序提供足够高的性能；（3）开发技术，以充分利用非木材产品的成分和结构，例如树皮，树叶，花朵，种子和根。（4）制定完善的表征标准。我们希望未来的研究将为基于树的材料提供更多令人振奋的想法和灵感，并为大量应用提供出色的性能。
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