华南理工大学ACS Nano：折纸龙启发的纳米纤维素薄膜，实现高强度高韧性突破

随着应对气候变化和发展循环经济的需求日益紧迫，开发高性能可持续材料已成为全球焦点。纤维素纳米纤维（CNF）薄膜因其可再生、可生物降解和优异的机械强度被视为石油基塑料的理想替代品。然而，传统CNF薄膜面临高强度（150-250 MPa）与低韧性（<15 MJ/m³）的矛盾，其有限延展性（<15%）导致应力分散能力不足，易在机械应力下开裂，严重限制了实际应用。

华南理工大学方志强研究员、广东工业大学邱学青教授和四川大学王静禹副研究员合作团队受折纸龙三维折叠结构启发，提出创新设计：将均匀亚微米木质素胶体球作为"软区"嵌入刚性CNF网络，制备出超高韧性纳米纤维素薄膜（L-CNF）。该薄膜延展性达54.25%，韧性达60.58 MJ/m³，较纯CNF薄膜分别提升3.4倍和3.7倍，同时具备紫外屏蔽和疏水性，为可穿戴传感器等应用开辟新路径。相关论文以“Kirigami Dragon-Inspired Structural Design for Super Tough and Highly Ductile Nanocellulose Films ”为题，发表在ACS Nano上。

核心设计与性能验证

研究团队通过溶剂自组装法合成单分散木质素胶体球（直径650±10nm，分散指数0.04），并利用静电排斥与空间位阻效应使其均匀嵌入CNF网络（图2）。电镜显示CNF紧密缠绕木质素球形成三维结构，红外光谱证实二者仅通过物理缠结结合。力学测试表明（图3），当木质素球尺寸为650nm、含量15wt%时，薄膜性能最优——可举起自重11万倍的5kg重物（图3e）。对比实验证实，木质素球的均匀性对性能至关重要：分散指数0.04的薄膜韧性（47.09 MJ/m³）是分散指数0.11薄膜（16.98 MJ/m³）的2.8倍。

图1 a) 传统折纸龙艺术品照片，展示独特的折叠结构。其卓越拉伸性源于多个均匀可变形区（以清晰折线分隔）。 b) 受折纸龙启发的超韧高延展L-CNF薄膜结构设计及制备示意图。均匀亚微米木质素胶体球作为软区嵌入CNF网络。 c) L-CNF薄膜实物图（比例尺：1 cm）。 d) L-CNF薄膜与纯CNF薄膜性能对比。

图2 a) 在CNF薄膜中构建均匀木质素软区示意图。 b) 单分散木质素胶体球SEM图（比例尺：1 μm）。 c) CNF缠绕木质素球表面SEM图（比例尺：500 nm）。 d) L-CNF薄膜截面SEM图（比例尺：3 μm）。 e) 木质素胶体球尺寸分布（平均尺寸650±10nm，分散指数0.04）。 f) L-CNF薄膜激光共聚焦图像（绿色荧光信号表明木质素均匀分布，插图中亮点直径约450nm）。 g) 纯CNF膜、木质素球及L-CNF薄膜的红外光谱。

图3 a) 含不同尺寸木质素球的L-CNF薄膜应力-应变曲线。 b) 对应薄膜韧性值。 c) 不同木质素含量的L-CNF-650薄膜应力-应变曲线。 d) 对应韧性值。 e) L-CNF-650薄膜提起5kg重物照片。 f) 含不同均匀度木质素球的薄膜应力-应变曲线。 g) 对应韧性值。 h) L-CNF薄膜与已报道CNF薄膜及塑料薄膜的力学性能对比。

增韧机制揭秘

折纸龙式设计的核心在于"软区"的协同变形（图4）。X射线散射显示木质素球促使CNF沿拉伸方向滑移，使薄膜取向度达0.310（纯CNF仅0.004）。有限元分析进一步揭示：均匀软区可实现应力均匀分布，而多尺寸软区会导致局部应力集中引发裂纹（图4h-i）。这种机制使薄膜在保持强度的同时，韧性超越多数已报道CNF材料（图3h），甚至接近聚碳酸酯等工程塑料。

图4 a) L-CNF薄膜增韧机制示意图。 b) 拉伸后CNF与L-CNF薄膜的二维广角X射线散射图。 c) 方位角积分强度分布曲线（L-CNF取向度0.310，纯CNF为0.004）。 d) 薄膜加载-卸载力-位移曲线。 e-g) 纯CNF膜（e）、多分散（f）与单分散（g）L-CNF薄膜拉伸后截面SEM图。 h-i) 多分散（h）与单分散（i）L-CNF薄膜的有限元应力-应变分布。

可穿戴传感器应用

基于L-CNF薄膜的柔性电极（图5a）展现出卓越机械适应性，可承受扭曲、打结等变形。覆盖石墨烯的电极在3-10%应变范围内电阻响应稳定（图5c），20次循环后信号强度保持稳定（图5d）。实际测试中，该传感器成功监测手指弯曲（图5f）、膝关节（图5g）和颈部运动（图5h），应变信号识别精准，为生物医学监测提供新解决方案。

图5 a) L-CNF薄膜电极及可穿戴传感器应用示意图（插图为电极SEM形貌）。 b) 电极柔韧性展示。 c) 3-10%应变范围内电阻变化循环曲线。 d) 10%应变下20次循环电阻响应。 e) 5/10 mm/min拉伸速率下的电阻-应变循环。 f-h) 监测手指（f）、膝盖（g）、颈部（h）运动的电阻-应变信号。

未来展望

该研究通过仿生设计打破CNF薄膜的强度-韧性平衡瓶颈，所有组分源于木材，彰显生物基材料替代塑料的潜力。团队指出，尽管综合性能暂未完全超越工程塑料，但其高韧性、生物可降解特性将在特定环保场景发挥关键价值，为可持续材料设计提供新范式。

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！