“木头大王”胡良兵，最新Nature系列综述！

纤维素分子工程！

纤维素是地球上最丰富的天然高分子材料之一，广泛存在于植物细胞壁中，支撑着树木与草本植物的力学结构。然而，正是这种高度有序、由氢键紧密连接的晶体结构，使纤维素在很长时间里“稳定却保守”——难以像无机材料那样被精细调控，也难以承担离子传输、能量转换或抗菌等功能型任务。传统的纤维素利用方式，更多依赖“自下而上”的纳米纤维提取与重组，但在这一过程中，天然纤维中原本高度有序的链取向往往被破坏，功能潜力受到限制。如何在 不打碎结构骨架的前提下，从分子层面重新设计纤维素，成为近年来材料科学面临的重要挑战。

今日，耶鲁大学胡良兵教授联合佛罗里达州立大学Yimin Mao教授发表综述论文，系统梳理了一种新的研究思路：纤维素分子工程。研究者通过在碱性环境中“温和地”松动纤维素晶体内部的氢键网络，并引入铜离子等过渡金属进行配位，在保持纤维素链整体取向的同时，重构其内部纳米通道结构。这一策略不仅能够在纤维素晶体内部形成尺寸可控、方向一致的一维通道，还显著改变了其离子传输、热电响应与抗菌性能。基于这一结构重塑理念，纤维素被进一步应用于低品位热能收集、液态与固态电池电解质，以及耐久抗菌纺织品等多个前沿领域，并展现出从可持续生物质迈向高附加值功能材料的广阔前景。相关论文以“Molecular engineering of cellulose and its applications”为题发表在《Nature Reviews Bioengineering》上。Lin Xu为第一作者。

纤维素在植物细胞壁中呈现出高度有序的层级结构：从肉眼可见的木材和纤维束开始，逐级细化为微米级宏纤维、纳米纤维，最终由一条条葡萄糖分子链平行堆叠而成的晶体结构。正是这种沿植物生长方向高度取向的分子排列，使天然纤维素兼具高强度与稳定性。图1以示意方式串联起这一完整结构层级，并进一步提出一个关键问题：如果能够在保持这种天然取向结构的同时，对纤维素晶体内部进行精准调控，是否可以释放其潜藏的功能潜力？

图1：纤维素的结构与应用

研究者的突破点在于对“晶体内部”的重新认识。传统观点认为，纤维素晶体内部空间极其狭小且高度疏水，几乎不具备离子传输或分子扩散能力。但研究发现，在较高浓度碱性溶液中，纤维素分子链之间的氢键网络可以被部分削弱，晶体发生可控膨胀。这一过程并不会导致纤维素完全溶解，而是为后续的结构重构创造了条件。当铜离子进入这种膨胀态晶体后，会与相邻分子链上的氧原子形成稳定配位，从而在晶体内部搭建起规则、有序的“支架”。图2从分子构型、晶胞结构以及 X 射线与吸收谱证据等多个角度，清晰展示了这一开放式框架结构的形成过程，其内部一维通道直径被扩大至约 1.5 nm，且沿纤维轴方向高度一致。

图2：纤维素的分子工程结构

这种内部通道的建立，使纤维素的功能边界被显著拓展。图3a–c 所示的研究表明，通过调控通道尺寸、电荷分布以及配位离子的种类，纤维素可以实现对不同离子的选择性传输。在离子热电体系中，这种高度取向的纳米通道能够放大阴、阳离子在温差驱动下的迁移差异，从而产生远高于传统聚合物电解质的热电响应。这使得原本仅作为结构材料的纤维素，具备了将环境中低品位热能直接转化为电信号的能力。

在储能领域，分子工程纤维素同样展现出独特优势。图3b 所示的水系电池中，含水的一维通道为钠离子等载流子提供了低阻力迁移路径；而在去除自由水后，尽管晶体的长程有序性被破坏，通道尺度依然保持扩展状态（图3d），锂离子能够在多氧配位位点之间通过“跳跃”机制快速移动。这种将离子传输与高分子链段运动解耦的方式，使纤维素基固态电解质在较低温度下仍能维持较高电导率。

除能源应用外，铜离子配位的纤维素在抗菌领域同样体现出分子工程的优势。图3g 所示的抗菌纺织品中，铜离子并非简单附着在纤维表面，而是被稳定地嵌入纤维内部结构。这种内嵌式配位不仅赋予材料持久的抗菌和抗病毒能力，还显著提升了耐洗涤性与结构稳定性，避免了传统表面涂覆方式中易脱落、易迁移的问题。

图3：用于离子传输的纤维素工程设计

小结

总体来看，纤维素分子工程提供了一种全新的材料设计范式：不是推倒重来，而是在天然结构的“秩序之中”进行精准改造。通过调控晶体内部的局域化学环境，研究者成功将一种传统意义上的结构材料，转化为具备离子传导、能量转换和抗菌功能的多用途平台。更重要的是，这一理念并不局限于纤维素本身，也为几丁质、壳聚糖等其他天然高分子材料的功能化提供了可借鉴的路径。随着表征手段与结构理解的不断深化，来自自然界的生物质材料，或许将在未来的能源、健康与可持续技术中扮演更加核心的角色。