天津科大刘苇教授、麦吉尔大学汪怿翔教授 CEJ综述：生物启发制备的多功能手性纤维素纳米晶生物基复合材料的研究进展

2023-10-10 来源：高分子科技

结构色在自然界的动植物中普遍存在（图1），利用生物质材料仿生结构色的研究工作已经引起了人们的极大关注。纤维素纳米晶体（CNC）是纤维素衍生物中的一种典型的生物质纳米材料，能够简单有效地形成周期性规则的螺旋排列结构从而形成结构色。但是，纯CNC材料的力学性能较差，可以与其它物质复合来提高力学性能，同时保证结构色不被破坏，从而制备具有结构色的多功能材料。

图1 自然界中动植物的结构色及其微观结构

近日，天津科技大学刘苇教授团队围绕（1）CNC的制备、CNC膜的虹彩机理、CNC悬浮液性能对结构色的影响机理；（2）具有结构色的CNC复合材料的制备；（3）CNC复合材料在环境监测、高级信息加密、生物医学、软体致动器和储能等领域的应用进行了系统的梳理和总结，分析了CNC复合材料的制备及其在不同领域中应用的优势和面临的挑战，并进行了全面的展望。

图2 CNC与不同其他物质混合制备复合材料的示意图

首先，关于CNC的制备方法进行了总结阐述，利用不同种类的单一或混合酸水解制备CNC，并且阐述了CNC膜的虹彩机理以及CNC悬浮液性能对CNC复合材料的影响。

其次，对于CNC复合材料的制备进行了分类汇总（图2）。目前，已经报道了许多有关CNC复合材料的研究工作，不同研究工作中添加一种或多种其他物质来制备多功能CNC复合材料。大多数研究工作通过添加聚合物，比如纤维素纳米纤丝（CNF），羟丙基纤维素（HPC），聚乙烯醇等，在提高复合材料力学性能的同时实现多功能化，其中通过添加天然高分子聚合物制备CNC复合材料是一个可持续发展的方向。此外，通过添加小分子物质（氨基酸、山梨醇、花青素、柠檬酸等）和纳米颗粒物质（金属和金属氧化物纳米颗粒、纳米碳材料）制备复合材料，其中通过引入纳米颗粒物质到CNC中制备CNC复合材料是一项既具发展前景又具有挑战性的研究工作，图3是对部分CNC/纳米颗粒物质复合材料研究工作进行的整合。

图3 利用纳米颗粒制备CNC复合薄膜的工艺示意图

然后，对于CNC复合材料的应用，根据不同应用领域进行了分类汇总总结，其一，CNC复合材料可应用在环境监测（湿度、pH），由于CNC复合材料可对环境湿度和pH做出响应，图4对近几年的研究工作结果进行了汇总。

图4 CNC复合薄膜在湿度传感、响应材料和pH检测中的应用

其二，CNC复合材料在高级信息加密领域有巨大的应用价值，图5是根据不同信息加密手段（膜、油墨）整合了该领域近期研究工作的结果。

图5 CNC复合材料在高级信息加密中的应用

其三，CNC复合材料在生物医药、软体致动器以及能源储存方面有巨大的潜在应用价值。其中，利用CNC制备生物医药材料来监测和筛选癌细胞是一项有意义又及具挑战的研究工作，并且CNC复合材料也可被设计为软体致动器（图6）。

图6 CNC复合材料在生物医药和软体致动器中的应用

其四，CNC复合材料在电池能源储存也有相关应用，目前主要应用在锂离子电池中，利用CNC复合材料规则有序的内部结构可以为锂离子提供一个均匀有序的离子通道，从而提高电化学性能和延长电池的使用寿命（图7）。

图7 CNC复合材料在电池能源储能中的应用

其五，CNC复合材料在力学响应材料、气体响应材料以及被动辐射制冷器材料等领域也具有潜在的应用价值（图8），利用CNC复合材料做为被动幅射制冷器是一个新兴的研究方向，CNC复合材料制冷器既具有纤维素绿色环保的特点，又可以实现节能减排的可持续发展目标。

图8 CNC复合材料在其他领域中的应用

最后，本文对CNC悬浮液性能对CNC复合材料性能的影响及目前存在的问题进行了分析总结和展望，并且对于制备CNC复合材料的蒸发诱导自组装方法进行了分析，对于新型的蒸发诱导自组装方法提出展望。本文还对CNC复合材料的加工、设计和性能与CNC悬浮液或CNC混合悬浮液流变行为的相关性进行了展望，他们认为需要对“加工—结构—性能”进行全面深入的研究，通过学科交叉融合，促进其在各领域中的应用，使其成为世界上不可缺少的绿色材料之一。
更多信息请参见Chemical Engineering Journal期刊论文“Advances in bioinspired and multifunctional biomaterials made from chiral cellulose nanocrystals”。天津科技大学研究生胡豪为该文第一作者，天津科技大学刘苇教授和加拿大麦吉尔大学汪怿翔教授为该文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金面上项目、天津市自然科学基金重点项目和天津市研究生科研创新项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145980

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（责任编辑：xu）

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