在碳达峰、碳中和目标的指引下，随着绿色生态建设任务愈发紧迫以及不可再生资源渐趋枯竭，可持续新材料研发的重要性愈发突显。纤维素纳米纤维（CNF）是地球上广泛存在且储量最为丰富的天然纳米级结构块。它自带低密度、低热膨胀系数、高强度与高模量等独特物理特性，无疑是构建可持续材料极具潜力的理想候选者。近年来，基于 CNF 的结构材料崭露头角，已发展为一种可持续的轻质材料，在性能表现上与传统结构材料大相径庭。
基于此，中国科学技术大学的俞书宏院士与管庆方副教授所带领的科研团队，介绍了基于 CNF 的多种存在形式的材料，涵盖纤维、薄膜、水凝胶、气凝胶以及结构材料等各个类别，并详尽分析了它们所具备的特性以及潜在的应用价值。在致力于制造高性能 CNF 结构材料的进程中，团队精准洞察到界面粘结难题以及水分调控问题乃是两大核心挑战。针对此，他们创新性地提出采用水凝胶分层装配这一前沿方法，巧妙地攻克了以往干态装配过程中所面临的界面粘结困境，最为关键的是，这一举措还完整地留存了 CNF 原本所具有的优异性能。凭借着仿生设计理念与纳米复合策略的巧妙运用，CNF 基材料不但在机械性能层面成功实现对传统材料的超越，更是额外具备了诸如阻燃、电磁波吸收以及高热稳定性等一系列拓展性功能，为运输、建筑、电子设备等诸多领域的发展困境提供了极具突破性的全新解决方案。
2024年12月10日，相关成果以“ Emerging Sustainable Structural Materials by Assembling Cellulose Nanofibers ” 为题发表在 Advanced Materials 上。
图1. 高性能结构材料的多领域应用
a） 高性能结构材料在交通领域的应用场景。b） 在各种汽车部件中使用纤维素材料的轻量化车辆，整体重量减轻 10% 以上。c） 体积为 310 × 300 × 18 mm3大型纤维素基结构材料。d) 从 1970 年到 2022 年，全球碳排放量持续增长。e） 到 2060 年实现碳中和所需的努力。
图2. 纤维素纳米纤维（CNF）的来源与微观结构
a） 纤维素纳米纤维 （CNF） 的几种常见来源。“Wood”、“Sugarcane bagasse”和“Bacteria”的图片。b） 示意图描述 CNF 的层次结构。c-e） 不同尺度的纤维素纤维的扫描电子显微镜 （SEM） 图像。f） CNF 的高分辨率透射电子显微镜图像。
图3. 多种CNF基结构材料及其功能性
a） 通过微流体纺丝方法组装成大型大纤维的 CNF 的 SEM 图像。b） 坚固的纤维素大纤维，由各种长度尺度上的许多对齐原纤维组成。c） 具有实体结构的环保透明 2D CNF 薄膜。d） 生物合成的 CNF/云母纳米纤维素纸的照片，表现出出色的机械和电气绝缘性能。e） CNF 增强的离子导电有机水凝胶的照片，它可以被拉伸、举重并表现出很好的压缩恢复行为。f） CNF 介导的多流形协同策略，用于为自供电电子皮肤创建超分子水凝胶。“UV”是“Ultraviolet”的缩写。g） 粘附在玻璃板表面的透明硅烷化纤维素气凝胶的照片。h） 通过双冰模板组件的超弹性 CNF 基气凝胶。i） 源自天然海藻的热稳定、食品安全结构材料的照片。“SCNSM”是“sargassum CNF structural material”的缩写。j） 通过多层预处理热压法制备具有低热膨胀系数的基于 CNF 的结构材料。
图4. 基于水凝胶的CNF装配策略
a） CNF 的 3D 打印示意图，然后是 Ca2+交联和冷冻干燥以准备材料。b） 由细菌纤维素水凝胶层组装的结构材料的示意图。c） 增强细菌纤维素水凝胶之间的界面键合以制备具有界面互锁结构的材料。“BC”是“细菌纤维素”的缩写，“CS”是“壳聚糖”的缩写。d） 羧化 CNF 可以通过 Ca2+ 交联形成水凝胶，然后热压制备结构材料。
图5. 仿生设计在CNF基结构材料中的应用
a） 珍珠层中的“砖和砂浆”结构示意图。b） 设计和制造具有珍珠层结构的基于 CNF 的结构材料。c） 自然生物体中 Bouligand 结构的示意图。d） 由中等取向的 CNF 构建的具有 Bouligand 结构的材料。e） 多尺度纤维素基结构材料的设计和制备示意图。f） 纤维素基结构材料中纳米纤维和超细纤维之间化学相互作用的示意图。
图6. CNF与无机纳米材料的复合结构设计
a） 将 CNF 与 0D 无机纳米颗粒相结合制备的基于 CNF 的吸波结构材料的设计和制造图。“Fe₃O₄ NP”是“Fe₃O₄ nanoparticle”的缩写。b） 碳和铁在梯度吸波结构材料中的分布。c） CNF 与碳纳米管 （CNT） 相结合制备的基于 CNF 的电磁屏蔽结构材料的设计和制造图。d） 基于 CNF 的电磁屏蔽结构材料中 CNF/CNT 双网络的 SEM 图像。e） 将 CNF 与 2D 无机纳米片、纳米粘土相结合制备的基于 CNF 的耐火结构材料的设计和制造图。. f） 耐火结构材料中 2D 纳米粘土均匀取向的 SEM 图像。插图是结构材料的样本照片。
图7. CNF基功能材料的实际应用
a） 基于 CNF 的结构材料中电磁波吸收的演示。b） 纤维素复合 SiO₂的辐射冷却原理示意图。c） 不同厚度的 CNF/CNT 结构材料与已报道的 EMI 屏蔽材料之间的电磁干扰 （EMI） 屏蔽效率 （SE） 比较。“rGO”是“还原型氧化石墨烯”的缩写。“CF”是“carbon fiber”的缩写。d） CNF/纳米粘土结构材料与不同类型天然木材之间的氧指数 （LOI） 极限比较。e） 在丁烷喷灯火焰下对 CNF/纳米粘土结构材料和松木进行的燃烧实验。
图8. CNF基材料的热力学性能与可降解性能
a–c） 基于 CNF 的波吸收结构材料与各种塑料和 Al₂O₃ 陶瓷 之间的热膨胀、热膨胀系数和存储模量的比较。d） 通过热稳定性实验比较多尺度结构材料与塑料。e，f） CNF 结构材料与普通聚合物、金属和陶瓷的机械和热性能比较。g，h） 多尺度结构材料与各种塑料的冲击韧性和邵氏硬度的比较。i） 基于 CNF 的结构材料和聚碳酸酯 （PC） 在土壤中的降解实验。
图9. CNF基材料的多领域应用展望
总之，总结了纤维素纳米纤维作为可持续结构材料的显著优势，通过独特的层层装配策略，使纳米尺度的优异性能延展至宏观结构。这些材料不仅展示了极低的热膨胀系数、高强度和高模量，还兼具轻量化和可生物降解性，为替代传统塑料和金属提供了可能。同时，展望了未来在仿生结构设计、智能材料开发以及与人工智能结合方向的研究前景。虽然实现工业化生产仍面临挑战，但随着技术进步与政策支持，CNF基结构材料有望成为下一代绿色高性能材料的主力军。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202413564
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