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天津大学封伟教授、王玲教授团队《AFM》综述: 纳米纤维素功能材料及其应用研究进展

文章来源：新材料在线更新时间：2021-08-16 15:07:04

近日，天津大学材料科学与工程学院封伟教授、王玲教授团队在国际材料期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为“Nanocellulose-Based Functional Materials: From Chiral Photonics to Soft Actuator and Energy Storage”的综述文章，系统总结了纳米纤维素功能材料的研究进展及其在手性光子学、软体驱动器、能源存储和生物医用等领域的潜在应用。

近年来，资源与环境问题越来越受到人们的关注。开发利用可再生资源以替代传统的煤、石油等化石资源成为必然的趋势，生物质材料作为传统材料或合成材料的替代材料在许多领域引起了学术和企业界的广泛关注与重视。纳米纤维素是地球上最为丰富的生物质资源，具有易降解、可再生、无毒性且廉价易得等优点，有望代替传统石化资源并用于生产各种高附加值先进功能材料。根据纳米纤维素的制备方法和来源区分，纳米纤维素通常可分为三类：纤维素纳米晶（CNC）、纤维素纳米纤维（CNF）和细菌纤维素（BC）。CNC主要是从天然纤维中提取出的一种纳米级的纤维素，它是一种具有天然手性的纳米棒状材料，能够自发的组装成左旋的胆甾型液晶且表现出独特的光学特性，在信息加密、光学编码、光学数据存储等领域有广泛的应用前景。CNF主要是从植物纤维素分离得到的直径为5-20 nm，长度几百纳米至几十微米的丝状纤维素纤维，由于其具有三维纳米纤维网络和优异的机械特性使其在能源存储、智能驱动和生物医用等领域具有广泛的应用潜力。BC主要是由细菌产生的具有生物可降解性的天然纳米结构高分子材料，其衍生的功能材料在食品制造、能源存储、智能驱动、生物医疗、电子器件、军工等多个领域具有广泛的应用。由于纳米纤维素结合了纤维素和纳米材料的独特属性，近年来研究人员在纳米纤维素基功能材料领域取得了一系列突破性进展，有望在手性光子学、软体驱动器、能源存储和生物医用等领域获得重要应用。

图1. 纳米纤维素的来源、微观结构及其潜在应用

手性在自然界中普遍存在，并在生命科学和材料科学中发挥着重要作用。CNC是一种纳米级手性光子晶体材料，在临界浓度下，CNC能够通过蒸发诱导形成螺旋状的手性向列型液晶（胆甾型），当其螺旋螺距（p）在可见光波长范围内时，手性向列相CNC液晶可以选择性地反射左旋或右旋光，并呈现出彩虹色。CNC的手性向列型液晶相结构既可用于制备高机械性能和具有特殊光学特性的功能膜材料，也可以作为一种生软模板用来诱导纳米颗粒形成具有手性结构的功能材料。因此，在手性催化、手性超材料、偏振加密以及生物传感等领域均具有重要应用价值。近年来，科学家们一直致力于CNC手性结构的设计、动态结构色的调控以及CNC基手性材料的潜在应用研究并取得了一系列突破性进展。本章重点介绍了近年来纳米纤维素基功能材料在手性光子学领域的最新研究进展及其应用前景。

图2. 纳米纤维素功能材料在手性光子学领域的应用

自适应智能形变现象在自然界中无处不在，对生物体维持各种复杂的生命活动至关重要。在瞬息万变、危机重重的生存环境中，大多数的生物能够动态地发生形变以适应环境、生存繁衍。受自然界中植物对外界环境刺激的动态响应性行为的启发（如松果的开合、豆荚的解旋等），近年来，基于各种合成聚合物衍生的软物质材料，如典型的水凝胶、液晶弹性体和形状记忆聚合物，科学家们巧妙地设计了多种仿生智能驱动器用以模仿甚至超越生物体的驱动行为。然而，这些传统的聚合物基材料通常是通过复杂的工艺合成的、成本高、难以降解或回收，这可能会给环境带来一定的负担。值得注意的是，基于纳米纤维素的仿生软体驱动器因其优越的机械柔性、高的吸湿能力、可持续或生态友好性、可重复使用或可生物降解性和生物相容性而受到越来越多的关注和重视。本章重点介绍了纳米纤维素基功能材料在仿生软体驱动器领域的最新研究进展及其潜在应用前景。

图3. 纳米纤维素基功能材料在软体驱动器领域的应用

近年来，全球气候变暖的趋势不断加剧，给地球生态系统带来一系列连锁效应。为应对气候变化，开发利用可再生资源与绿色材料是替代传统的煤、石油等化石资源，实现碳达峰碳中和最有效途径之一。其中，纳米纤维素因具有大的比表面积、优异的机械柔性、良好的化学稳定性和环境友好性以及纤维之间彼此交错连接，易形成便于离子和电子传输的多孔结构；纤维表面附有羟基、羧基等亲水性官能团，在电解质溶液中具有良好的保湿能力，使其衍生的功能材料在储能领域具有广泛的应用前景。纳米纤维素基功能材料不仅可以作为能源存储器件中的各种组分，如隔膜、电解质、胶粘剂和载体。同时，通过高温炭化、原位化学聚合和电化学沉积等策略可与电活性材料复合，获得更精细的纳米结构和优异的电化学性能。本章重点介绍了纳米纤维素基功能材料在能源存储领域的最新研究进展及其潜在应用。

图4. 纳米纤维素基功能材料在能源存储领域应用

纳米纤维素因其低成本、低毒性、特殊的理化性质（如高的机械柔性和弹性模量、高比表面积、低密度、高的保水性、易化学改性等）、良好生物降解性和生物相容性、可再生性和环境友好性等优点，使其在生物医学材料领域受到学术和企业界越来越多的关注和重视。值得注意的是，在干燥状态下，纳米纤维素的力学性能可与人体骨骼媲美，而在湿润状态下，纳米纤维素的理化性能与细胞外基质相似。同时，除了优异的理化特性外，纳米纤维素与其他聚合物或功能材料具有高的兼容性，从而使得纳米纤维素基功能材料在生物医用领域具有良好的实用价值和广泛的应用前景。本章重点介绍了纳米纤维素基功能材料及其在药物递送、抗菌材料以及组织工程等领域的最新研究进展。

图5. 纳米纤维素基功能材料在生物医用领域的应用

该综述系统总结了纳米纤维素功能材料的最新研究进展及其在手性光子学、软体驱动器、能源存储和生物医用等领域的潜在应用。文章聚焦如何实现纳米纤维素的功能化应用这一基本科学问题，阐述了纳米纤维素功能材料的合成策略和功能化应用机制，通过系统总结其在手性光子学、软体驱动器、能源存储和生物医用等领域的发展现状，作者阐述了纳米纤维素功能材料及其应用所面临的挑战和机遇，并提出了新思考和未来发展方向。论文第一作者为天津大学吕鹏飞博士，通讯作者为天津大学王玲教授和封伟教授。本工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助。

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