泡沫材料因其质量轻、隔热性能优异以及良好的缓冲与能量吸收能力，被广泛应用于建筑保温、包装运输和交通工程等领域。长期以来，大部分泡沫材料依赖石油基聚合物制备，随着化石资源日益紧缺以及微塑料污染问题不断加剧，传统塑料泡沫在资源可持续性与环境友好性方面的局限逐渐显现。在此背景下，以纤维素为代表的可再生生物质资源开发高性能、可持续的新型泡沫材料，被认为是一项有效的替代途径。

  近日，东北林业大学于海鹏教授、沈阳化工大学赵大伟教授和德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授合作，提出一种溶剂诱导纤维素分子组装策略，通过溶剂渗透诱导氢键网络重构，使纤维素分子自发组装形成胞壁结构，开发了一种具有蜂窝状梯度孔结构的全纤维素生物泡沫（All-Cel foam，图1）。该纤维素泡沫在常温常压条件下制备，表现出优异的机械性能、热稳定性和隔热能力，同时兼具可成型性、可回收性与生物降解性，为生物基泡沫材料的制备提供了新思路。

  2026年1月21日，相关成果以“A gradient-structured all-cellulose biofoam enabled by solvent-induced molecular assembly for sustainable insulation modules”为题发表于Nature Communications期刊。文章第一作者为东北林业大学博士研究生曾素清，通讯作者为于海鹏教授、赵大伟教授、余桂华教授。

图1 全纤维素分子泡沫（All-Cel foam）的设计与应用

  纤维素是地球上储量最丰富的天然高分子，其来源广泛、可再生、可降解，被视为替代石化材料的理想原料。然而，现有纤维素泡沫的制备往往依赖化学氧化、机械开纤等复杂的前处理步骤，并引入交联剂、发泡剂等化学添加物，不仅工艺繁琐，还可能带来额外的环境与健康风险。同时，现有的冷冻干燥和超临界干燥等高能耗工艺也制约了纤维素基泡沫的可持续发展。

  在本研究中，作者利用氯化锌/甲酸水合溶剂体系打破天然纤维素分子间和分子内的氢键相互作用，并通过温和的甲酸酯化反应引入酯基结构，为后续分子键合提供基础。在此基础上，引入乙醇作为分子组装触发剂，乙醇分子与纤维素分子上的羟基和甲酸酯基形成新的氢键竞争关系，促使氢键作用从“纤维素-溶剂”逐步转变为“纤维素-纤维素”，引发分子链构象收缩与超分子缠结。在乙醇首先接触的表层区域，纤维素分子迅速重组并形成致密的氢键网络，该致密层进一步限制了乙醇向体系内部的扩散，从而在空间上引入了明显的组装动力学差异。重组的纤维素氢键网络表层作为屏障减缓乙醇分子继续向纤维素分子体系内部扩散的速率，纤维素链拥有更长的松弛和聚集时间，形成逐渐增大的蜂窝状孔隙结构。这种由溶剂交换诱导的自组装过程，使纤维素在常压条件下无需发泡剂、自发形成梯度孔隙结构的All-Cel foam（图2）。

图2 All-Cel foam的分子机制与形貌特征

  分子尺度组装形成的牢固的氢键以及梯度孔隙结构，共同赋予了All-Cel foam优异的机械性能。压缩测试表明，All-Cel foam的压缩模量高达11.8 MPa，显著优于常见的PP、EPS和PU泡沫材料。梯度多孔结构能够有效实现应力传递，从而提高All-Cel foam的韧性及能量吸收能力，使其弯曲强度和模量分别达到2.67 MPa和37 MPa、抗冲击性能达到152 J/m（图3）。

图3 All-Cel foam的卓越机械性能

  动态机械分析结果显示，All-Cel foam热稳定温度高达264°C，明显高于聚丙烯（PP）、发泡聚苯乙烯（EPS）和聚氨酯（PU）泡沫。在200℃高温接触实验中，EPS与PP泡沫迅速软化塌陷，PU泡沫在直接接触热源时发生结构破坏，而All-Cel foam依然能够保持原有尺寸和完整结构，体现出优异的热稳定性。通过引入植酸（PA）对All-Cel foam进行简单处理，赋予其出色的阻燃性能。处理后的All-Cel/PA foam在锥形量热测试中表现出显著降低的热释放行为，极限氧指数达到53.6%。垂直燃烧测试中，商业塑料泡沫均出现快速点燃和剧烈燃烧现象，而All-Cel/PA foam在移开火源后迅速自熄，展现出可靠的防火安全性。这一阻燃效果源于植酸在燃烧过程中促进纤维素快速碳化，形成连续致密的炭层，有效隔绝热量和氧气，同时释放含磷自由基抑制燃烧反应，从而实现多重协同阻燃（图4）。

图4 All-Cel foam的热机械性能和阻燃处理

  隔热性能是评价泡沫材料应用价值的重要指标之一。All-Cel foam的导热系数为0.047–0.062 W/m·K，与常用石化基泡沫以及已报道的常压干燥纤维素泡沫相当，体现了其良好的隔热能力。进一步的隔热验证实验中，相比于未加隔热层的铁盒，All-Cel foam作为隔热层可有效阻隔热量传递，使铁盒整体升温幅度降低了87.3%。All-Cel foam兼具机械强度与隔热性能的优势，在建筑围护结构中具有应用潜力，基于EnergyPlus的模拟结果表明，在多种气候条件下，将All-Cel foam用作墙体保温层时，建筑年总能耗与聚苯乙烯泡沫相当，且在温带及寒冷地区表现出更为显著的节能效果，凸显All-Cel foam在绿色建筑与可持续节能领域的应用前景（图5）。

图5 All-Cel foam的隔热性能和建筑能耗模拟评估

  All-Cel foam通过简单的溶剂交换即可使纤维素分子重组并形成多种复杂三维多孔结构，制备过程无需使用发泡剂或有毒交联剂，大幅降低了挥发性有机物和温室气体排放。得益于分子层面构筑的连续网络结构，All-Cel foam还可在水中软化后重塑为其它三维形状，再经乙醇处理后定型，具有多次形状编辑能力。此外，由于材料完全由纤维素构成，使用后的All-Cel foam可通过再溶解实现闭环回收。All-Cel foam在自然土壤环境中可在数月内被微生物完全降解。生命周期评估结果进一步表明，与石化基泡沫相比，All-Cel foam在多项环境影响指标上具有优势，体现了作为新一代可持续泡沫材料的应用潜力（图6）。

图6 All-Cel foam的成型性、可回收性、可降解性以及环境影响评估

  总结与展望：

  本研究提出一种溶剂诱导分子组装策略，利用乙醇引导纤维素分子有序重组，成功构筑了具有梯度孔结构的全纤维素泡沫All-Cel foam。该策略在温和条件下实现了全纤维素泡沫构筑，避免了复杂化学改性和高能耗工艺，为生物质多孔材料的结构设计和调控提供了新思路。此外，研究所揭示的溶剂诱导分子重构机制还有望推广至其它林木生物质、多糖及天然高分子材料的结构设计与高值化利用。未来通过进一步调控分子组装过程、推进规模化制备并系统优化全生命周期，为低碳建筑、可持续工程及新型功能材料的发展提供支持，推动泡沫材料向更加绿色和可持续的方向发展。

  论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-68803-8.