顆粒在線訊：近日，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院封偉教授、王玲教授團(tuán)隊在國際材料期刊《Advanced Functional Materials》上發(fā)表題為“Nanocellulose-Based Functional Materials: From Chiral Photonics to Soft Actuator and Energy Storage”的綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)了納米纖維素功能材料的研究進(jìn)展及其在手性光子學(xué)、軟體驅(qū)動器、能源存儲和生物醫(yī)用等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

近年來，資源與環(huán)境問題越來越受到人們的關(guān)注。開發(fā)利用可再生資源以替代傳統(tǒng)的煤、石油等化石資源成為必然的趨勢，生物質(zhì)材料作為傳統(tǒng)材料或合成材料的替代材料在許多領(lǐng)域引起了學(xué)術(shù)和企業(yè)界的廣泛關(guān)注與重視。納米纖維素是地球上最為豐富的生物質(zhì)資源，具有易降解、可再生、無毒性且廉價易得等優(yōu)點(diǎn)，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)石化資源并用于生產(chǎn)各種高附加值先進(jìn)功能材料。根據(jù)納米纖維素的制備方法和來源區(qū)分，納米纖維素通?？煞譃槿悾豪w維素納米晶（CNC）、纖維素納米纖維（CNF）和細(xì)菌纖維素（BC）。CNC主要是從天然纖維中提取出的一種納米級的纖維素，它是一種具有天然手性的納米棒狀材料，能夠自發(fā)的組裝成左旋的膽甾型液晶且表現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)特性，在信息加密、光學(xué)編碼、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。CNF主要是從植物纖維素分離得到的直徑為5-20 nm，長度幾百納米至幾十微米的絲狀纖維素纖維，由于其具有三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)異的機(jī)械特性使其在能源存儲、智能驅(qū)動和生物醫(yī)用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。BC主要是由細(xì)菌產(chǎn)生的具有生物可降解性的天然納米結(jié)構(gòu)高分子材料，其衍生的功能材料在食品制造、能源存儲、智能驅(qū)動、生物醫(yī)療、電子器件、軍工等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。由于納米纖維素結(jié)合了纖維素和納米材料的獨(dú)特屬性，近年來研究人員在納米纖維素基功能材料領(lǐng)域取得了一系列突破性進(jìn)展，有望在手性光子學(xué)、軟體驅(qū)動器、能源存儲和生物醫(yī)用等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。

圖1. 納米纖維素的來源、微觀結(jié)構(gòu)及其潛在應(yīng)用

手性在自然界中普遍存在，并在生命科學(xué)和材料科學(xué)中發(fā)揮著重要作用。CNC是一種納米級手性光子晶體材料，在臨界濃度下，CNC能夠通過蒸發(fā)誘導(dǎo)形成螺旋狀的手性向列型液晶（膽甾型），當(dāng)其螺旋螺距（p）在可見光波長范圍內(nèi)時，手性向列相CNC液晶可以選擇性地反射左旋或右旋光，并呈現(xiàn)出彩虹色。CNC的手性向列型液晶相結(jié)構(gòu)既可用于制備高機(jī)械性能和具有特殊光學(xué)特性的功能膜材料，也可以作為一種生軟模板用來誘導(dǎo)納米顆粒形成具有手性結(jié)構(gòu)的功能材料。因此，在手性催化、手性超材料、偏振加密以及生物傳感等領(lǐng)域均具有重要應(yīng)用價值。近年來，科學(xué)家們一直致力于CNC手性結(jié)構(gòu)的設(shè)計、動態(tài)結(jié)構(gòu)色的調(diào)控以及CNC基手性材料的潛在應(yīng)用研究并取得了一系列突破性進(jìn)展。本章重點(diǎn)介紹了近年來納米纖維素基功能材料在手性光子學(xué)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展及其應(yīng)用前景。

圖2. 納米纖維素功能材料在手性光子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

自適應(yīng)智能形變現(xiàn)象在自然界中無處不在，對生物體維持各種復(fù)雜的生命活動至關(guān)重要。在瞬息萬變、危機(jī)重重的生存環(huán)境中，大多數(shù)的生物能夠動態(tài)地發(fā)生形變以適應(yīng)環(huán)境、生存繁衍。受自然界中植物對外界環(huán)境刺激的動態(tài)響應(yīng)性行為的啟發(fā)（如松果的開合、豆莢的解旋等），近年來，基于各種合成聚合物衍生的軟物質(zhì)材料，如典型的水凝膠、液晶彈性體和形狀記憶聚合物，科學(xué)家們巧妙地設(shè)計了多種仿生智能驅(qū)動器用以模仿甚至超越生物體的驅(qū)動行為。然而，這些傳統(tǒng)的聚合物基材料通常是通過復(fù)雜的工藝合成的、成本高、難以降解或回收，這可能會給環(huán)境帶來一定的負(fù)擔(dān)。值得注意的是，基于納米纖維素的仿生軟體驅(qū)動器因其優(yōu)越的機(jī)械柔性、高的吸濕能力、可持續(xù)或生態(tài)友好性、可重復(fù)使用或可生物降解性和生物相容性而受到越來越多的關(guān)注和重視。本章重點(diǎn)介紹了納米纖維素基功能材料在仿生軟體驅(qū)動器領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展及其潛在應(yīng)用前景。

圖3. 納米纖維素基功能材料在軟體驅(qū)動器領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，全球氣候變暖的趨勢不斷加劇，給地球生態(tài)系統(tǒng)帶來一系列連鎖效應(yīng)。為應(yīng)對氣候變化，開發(fā)利用可再生資源與綠色材料是替代傳統(tǒng)的煤、石油等化石資源，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和最有效途徑之一。其中，納米纖維素因具有大的比表面積、優(yōu)異的機(jī)械柔性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境友好性以及纖維之間彼此交錯連接，易形成便于離子和電子傳輸?shù)亩嗫捉Y(jié)構(gòu)；纖維表面附有羥基、羧基等親水性官能團(tuán)，在電解質(zhì)溶液中具有良好的保濕能力，使其衍生的功能材料在儲能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。納米纖維素基功能材料不僅可以作為能源存儲器件中的各種組分，如隔膜、電解質(zhì)、膠粘劑和載體。同時，通過高溫炭化、原位化學(xué)聚合和電化學(xué)沉積等策略可與電活性材料復(fù)合，獲得更精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電化學(xué)性能。本章重點(diǎn)介紹了納米纖維素基功能材料在能源存儲領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展及其潛在應(yīng)用。

圖4. 納米纖維素基功能材料在能源存儲領(lǐng)域應(yīng)用

納米纖維素因其低成本、低毒性、特殊的理化性質(zhì)（如高的機(jī)械柔性和彈性模量、高比表面積、低密度、高的保水性、易化學(xué)改性等）、良好生物降解性和生物相容性、可再生性和環(huán)境友好性等優(yōu)點(diǎn)，使其在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域受到學(xué)術(shù)和企業(yè)界越來越多的關(guān)注和重視。值得注意的是，在干燥狀態(tài)下，納米纖維素的力學(xué)性能可與人體骨骼媲美，而在濕潤狀態(tài)下，納米纖維素的理化性能與細(xì)胞外基質(zhì)相似。同時，除了優(yōu)異的理化特性外，納米纖維素與其他聚合物或功能材料具有高的兼容性，從而使得納米纖維素基功能材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有良好的實(shí)用價值和廣泛的應(yīng)用前景。本章重點(diǎn)介紹了納米纖維素基功能材料及其在藥物遞送、抗菌材料以及組織工程等領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。

圖5. 納米纖維素基功能材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用

該綜述系統(tǒng)總結(jié)了納米纖維素功能材料的最新研究進(jìn)展及其在手性光子學(xué)、軟體驅(qū)動器、能源存儲和生物醫(yī)用等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。文章聚焦如何實(shí)現(xiàn)納米纖維素的功能化應(yīng)用這一基本科學(xué)問題，闡述了納米纖維素功能材料的合成策略和功能化應(yīng)用機(jī)制，通過系統(tǒng)總結(jié)其在手性光子學(xué)、軟體驅(qū)動器、能源存儲和生物醫(yī)用等領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，作者闡述了納米纖維素功能材料及其應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，并提出了新思考和未來發(fā)展方向。論文第一作者為天津大學(xué)呂鵬飛博士，通訊作者為天津大學(xué)王玲教授和封偉教授。本工作得到了國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的資助。