随着全球对环境问题的持续关注，开发可再生、可降解且具备碳中和特性的替代材料，正成为材料科学发展的重要方向。作为地球上最丰富的天然高分子之一，纤维素因其绿色可持续、结构多样、来源广泛，长期服务于造纸、纺织等传统产业。近年来，纤维素在能源存储、生物医疗、食品包装、化妆品与功能涂层等新兴领域展现出巨大潜力。然而，传统纤维素复合材料在性能调控和功能拓展方面仍面临一定瓶颈，亟需更具创新性的策略赋予其更高的结构设计自由度与功能可编程性。

  近日，武汉大学陈朝吉教授团队联合英国布里斯托大学Stephen J. Eichhorn教授、日本东京大学Akira Isogai教授、美国农业部林产品实验室朱俊勇研究员、西班牙巴斯克大学Erlantz Lizundia教授等学者，在《Nature Reviews Materials》期刊发表题为Cellulose nanocomposites by supramolecular chemistry engineering的综述论文，第一作者为陈朝吉教授课题组博士后陈露和余乐副研究员，通讯作者为陈朝吉教授和Stephen J. Eichhorn教授。该文系统梳理了纤维素纳米复合材料的多尺度超分子工程策略，涵盖其构筑方法、加工路径与结构调控机制，并进一步阐述了如何通过超分子相互作用调节材料的力学性能、离子传导性、光学特性、热导能力及环境降解性。文章最后探讨了纤维素纳米复合材料超分子策略在实现循环经济与环境可持续发展目标中的重要作用，并指出该领域当前面临的挑战与未来研究方向，呼吁在绿色材料科学中加大对超分子化学工程的投入与关注。

图1 纤维素的多级结构及其化学与酶法预处理。版权Springer Nature 2025。

  文章指出，超分子化学通过引入可逆、可调且具方向性的非共价相互作用（如氢键、静电作用、金属配位、疏水效应、主–客体识别和π–π堆叠等），为构建功能化纤维素纳米复合材料开辟了全新路径。这些相互作用不仅能够在纳米纤维素（cellulose nanomaterials, CNMs）与多种基体之间构建协同界面网络，还能实现材料强韧性、自愈性、导电性与刺激响应等多重性能调控，赋予材料“组装–解组装”的动态响应能力。作者强调，未来材料设计需结合具体应用场景，灵活整合多类超分子策略，在功能性、环境稳定性、制造复杂度与成本控制之间取得平衡，推动纤维素材料向高性能与绿色可持续双重目标迈进。

图2 面向纤维素纳米复合材料的超分子化学工程策略。版权Springer Nature 2025。

  在材料构筑方面，文章系统总结了多种基于超分子化学的先进加工策略，包括分子识别自组装、液晶模板引导、逐层组装、空间限域辅助、乳液模板以及无溶剂绿色制备等。这些方法以非共价相互作用为核心驱动机制，实现在纳米尺度调控基础上构建具备宏观功能的复合结构，使材料具备优异的拉伸性、自修复性、结构色以及各向异性增强性能，广泛适用于柔性电子、功能涂层、高强结构件等多个应用领域。

图3 基于超分子组装的纤维素纳米复合材料构筑路径。版权Springer Nature 2025。

  此外，文章深入探讨了纤维素基复合材料在机械增强、光学响应、热导调控、离子输运与环境降解等方面的多重性能调控机制。例如，氢键与静电相互作用可显著提升材料的力学强度与韧性；手性CNCs可通过自组装形成结构色薄膜或手性等离激元超结构；高导热填料（如氮化硼、石墨）协同构建致密界面，可使复合材料导热率超过10?W/m·K，用于高效辐射冷却；通过金属配位拓展链间间距，则可构建高效离子通道，使离子电导率达到10^-3 S/cm，具备发展固态电解质的潜力。同时，纤维素的天然可降解性，在非共价网络的辅助下，实现了力学性能与生态友好性的协同统一，凸显其作为高性能绿色材料的独特优势。

图4 超分子策略赋能纤维素复合材料多性能调控与应用示例。版权Springer Nature 2025。

  尽管如此，文章也指出该领域从基础研究走向实际应用仍面临挑战。实现结构均匀性、界面相容性与超分子网络稳定性之间的平衡，是未来研究的关键。为此，作者建议加强分子级设计与宏观制造的多尺度协同，结合原位表征、人工智能（AI）与多尺度建模，深入理解“结构–性能–功能”之间的关联机制。同时，引入动态共价键策略可兼顾材料的可重复使用性与可降解性。在规模化制备层面，还需关注原料来源、成本控制与制备效率，探索农业废弃物再利用与数字化制造等新路径。

  作为一篇兼具系统性与前瞻性的高水平综述，该论文为纤维素材料从“天然高分子”向“功能工程材料”的转变描绘了清晰的研究图谱，也为绿色材料科学的持续发展提供了有价值的讨论。未来，随着超分子化学工程技术的不断进步与跨尺度协同机制的持续发展，纤维素纳米复合材料有望在塑料替代、智能器件、生物医疗、食品、能源储存转化、环境治理与功能涂料等关键领域发挥更大作用，成为引领绿色材料变革的重要力量。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41578-025-00810-5

  课题组链接：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm

作者简介

  陈朝吉，武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师。2015年博士毕业于华中科技大学，2015-2021年分别于华中科技大学与马里兰大学帕克分校从事博士后研究，并于2021年5月入职武汉大学资环学院组建X-Biomass课题组。从事生物质材料（木材、竹材、纤维素、甲壳素等）的多尺度结构设计、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。以第一/通讯作者（含同等贡献）在Nature (2篇)、Science、Nature Reviews Materials (2篇)、Nature Sustainability (2篇)、Nature Communications (8篇)等国内外著名学术期刊上发表SCI论文100余篇，总引用36,000余次，H因子101。获科睿唯安“全球高被引科学家”（2021-2024连续四年入选材料科学领域）、斯坦福大学“全球前2%高被引科学家”终身影响力榜单、麻省理工科技评论亚太区“35岁以下科技创新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖”、“Advanced Science青年科学家创新奖”、“前沿材料青年科学家奖”、阿里巴巴达摩院“青橙优秀入围奖”、“中国新锐科技人物卓越影响奖”、“R&D 100 Awards”、“武汉大学杰出青年”等荣誉。担任The Innovation Materials学术编辑，The Innovation、Research、SusMat、Environmental Science & Ecotechnology、Green Carbon、Molecules等杂志编委/青年编委，以及中国化学会纤维素专业委员会委员。

  陈露，博士后，武汉大学资源与环境科学学院，主要从事生物质资源利用与环境水处理应用研究。入选2025年度中国博士后创新人才支持计划，以第一作者（含同等贡献）在Nature Reviews Materials、Nature Communications、The Innovation、Progress in Materials Science、ACS Nano等学术期刊上发表SCI论文8篇，论文总引800余次，H因子14。

  余乐，副研究员，武汉大学资源与环境科学学院，主要从事天然高分子基功能材料的设计合成以及极端环境储能应用研究。以第一/通讯作者（含同等贡献）在Nature Reviews Materials、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Nature Communications、Matter、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等学术期刊上发表SCI论文14篇（含ESI高被引论文4篇），论文总引2200余次，H因子23。