中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所卿光焱研究員團隊在學(xué)術(shù)期刊《ACS Nano》發(fā)表最新研究成果，通過創(chuàng)新性“限域自組裝”策略，成功開發(fā)出刺激響應(yīng)性纖維素納米晶體（CNC）光子細(xì)絲，為智能材料領(lǐng)域注入新動能（圖1）。這一突破不僅克服了傳統(tǒng)纖維素光子材料的應(yīng)用瓶頸，更開辟了其在智能紡織、可穿戴傳感等領(lǐng)域的全新應(yīng)用場景。
圖1 纖維素光子纖絲概念圖
從天然資源到智能材料：纖維素的光子革命
纖維素作為地球上最豐富的可再生生物質(zhì)資源，在建筑、紡織等傳統(tǒng)領(lǐng)域已應(yīng)用數(shù)千年。近年來，隨著納米技術(shù)的突破，纖維素納米晶體（CNC）憑借其獨特手性光學(xué)特性和可降解性，成為光子材料研究的熱點。然而，現(xiàn)有CNC光子材料多以薄膜形式存在，其脆性、低柔韌性和環(huán)境穩(wěn)定性不足等問題，嚴(yán)重制約了其在智能纖維、可穿戴設(shè)備等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用。
“限域自組裝”策略：破解技術(shù)困局
針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊提出“限域自組裝”技術(shù)框架，通過三大核心創(chuàng)新實現(xiàn)跨越式突破（圖2）：
1.剪切力精準(zhǔn)調(diào)控：利用剪切力驅(qū)動CNC在受限空間內(nèi)定向排列，構(gòu)建高度有序的左旋手性向列結(jié)構(gòu)；
2.光化學(xué)動態(tài)交聯(lián)：引入紫外光觸發(fā)交聯(lián)反應(yīng)，在秒級時間內(nèi)鎖定納米結(jié)構(gòu)，確保細(xì)絲機械穩(wěn)定性；
3.連續(xù)濕法紡絲工藝：優(yōu)化紡絲參數(shù)，實現(xiàn)長度超30米、直徑160微米的光子細(xì)絲連續(xù)制備，突破規(guī)；a(chǎn)瓶頸。
性能躍升：智能與強韌兼具
- 超強機械性能：拉伸強度達(dá)37 MPa，韌性14 MJ?m?3，超越多數(shù)合成聚合物纖維；
- 動態(tài)光學(xué)響應(yīng)：對濕度、應(yīng)力及視角變化呈現(xiàn)顯著干涉色切換（光程差>2500 nm，雙折射率Δn=16.5×10?3），響應(yīng)靈敏度較傳統(tǒng)薄膜大幅度提升（視頻1）；
- 環(huán)境兼容性：在水環(huán)境及各種復(fù)雜溶劑中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可通過標(biāo)準(zhǔn)紡織設(shè)備進(jìn)行編織加工（視頻2）。
應(yīng)用場景：從實驗室到生活
- 智能服裝：集成光子細(xì)絲的人體織物可實時感知濕度變化，通過顏色變化預(yù)警健康狀態(tài)；
- 自適應(yīng)光學(xué)器件：開發(fā)視覺調(diào)節(jié)透光率的智能車窗或建筑幕墻，實現(xiàn)節(jié)能與隱私保護(hù)雙重功能；
- 高端防偽標(biāo)簽：利用獨特手性光學(xué)特征，打造無法復(fù)制的動態(tài)防偽標(biāo)識。
- 可持續(xù)發(fā)展新范式：纖維素從“被動材料”向“主動智能材料”的轉(zhuǎn)變，更通過全綠色工藝（水相加工、光固化零排放）踐行了碳中和目標(biāo)。
相關(guān)研究成果以“Responsive Photonic Filaments from Confined Self-Assembly of Cellulose Nanocrystals”為題發(fā)表于《ACS NANO》。該工作的第一作者是武漢紡織大學(xué)張福生博士，上述工作得到國家自然科學(xué)基金的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15863
作者簡介：
卿光焱研究員，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，博士生導(dǎo)師。主要從事聚合物界面材料方面的研究工作，開發(fā)了一系列生物分子響應(yīng)性聚合物材料、手性功能表面和面向翻譯后修飾蛋白質(zhì)組學(xué)的聚合物基富集材料與器件。以第一或通訊作者發(fā)表Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc. (5篇), Adv. Mater. (6篇), Nat. Commun. (3篇), Angew. Chem. Int. Ed. (2篇), Sci. Adv., Mater. Today, Chem. Sci. (6篇), ACS Nano. (3篇), Adv. Funct. Mater. (2篇), Adv. Sci.等,總計發(fā)表SCI論文165篇，他引3700余次；申報國家發(fā)明專利53項，已獲授權(quán)28項。主持國家自然科學(xué)基金面上項目四項，青年科學(xué)基金一項。以第二完成人獲得了2011年湖北省自然科學(xué)一等獎，2012年12月被評選為湖北省楚天學(xué)者特聘教授，2014年7月獲得湖北省杰出青年基金資助。2018年在中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，生物技術(shù)部成立生物分離分析與界面分子機制研究組，擔(dān)任組長。2018年入選遼寧省“興遼英才計劃”創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，2019年獲得國家基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助（結(jié)題優(yōu)秀），2020年入選大連市杰出青年科技人才。
實驗室網(wǎng)站：www.biosep.dicp.ac.cn
張福生博士，畢業(yè)于中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，2022年7月加入武漢紡織大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，致力于納米纖維素自組裝及手性功能化研究，重點開展圓偏振光/發(fā)光材料、結(jié)構(gòu)生色材料及智能光子纖維等領(lǐng)域的研究工作。主持國家自然科學(xué)青年基金，以第一作者或通訊作者身份在Advanced Materials、Materials Today、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Materials Horizons等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文14篇。
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4403-7425
