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  隨著全球?qū)Νh(huán)境問題的持續(xù)關(guān)注，開發(fā)可再生、可降解且具備碳中和特性的替代材料，正成為材料科學(xué)發(fā)展的重要方向。作為地球上最豐富的天然高分子之一，纖維素因其綠色可持續(xù)、結(jié)構(gòu)多樣、來源廣泛，長期服務(wù)于造紙、紡織等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。近年來，纖維素在能源存儲、生物醫(yī)療、食品包裝、化妝品與功能涂層等新興領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，傳統(tǒng)纖維素復(fù)合材料在性能調(diào)控和功能拓展方面仍面臨一定瓶頸，亟需更具創(chuàng)新性的策略賦予其更高的結(jié)構(gòu)設(shè)計自由度與功能可編程性。

  近日，武漢大學(xué)陳朝吉教授團隊聯(lián)合英國布里斯托大學(xué)Stephen J. Eichhorn教授、日本東京大學(xué)Akira Isogai教授、美國農(nóng)業(yè)部林產(chǎn)品實驗室朱俊勇研究員、西班牙巴斯克大學(xué)Erlantz Lizundia教授等學(xué)者，在《Nature Reviews Materials》期刊發(fā)表題為Cellulose nanocomposites by supramolecular chemistry engineering的綜述論文，第一作者為陳朝吉教授課題組博士后陳露和余樂副研究員，通訊作者為陳朝吉教授和Stephen J. Eichhorn教授。該文系統(tǒng)梳理了纖維素納米復(fù)合材料的多尺度超分子工程策略，涵蓋其構(gòu)筑方法、加工路徑與結(jié)構(gòu)調(diào)控機制，并進一步闡述了如何通過超分子相互作用調(diào)節(jié)材料的力學(xué)性能、離子傳導(dǎo)性、光學(xué)特性、熱導(dǎo)能力及環(huán)境降解性。文章最后探討了纖維素納米復(fù)合材料超分子策略在實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展目標中的重要作用，并指出該領(lǐng)域當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)與未來研究方向，呼吁在綠色材料科學(xué)中加大對超分子化學(xué)工程的投入與關(guān)注。

圖1 纖維素的多級結(jié)構(gòu)及其化學(xué)與酶法預(yù)處理。版權(quán)Springer Nature 2025。

  文章指出，超分子化學(xué)通過引入可逆、可調(diào)且具方向性的非共價相互作用（如氫鍵、靜電作用、金屬配位、疏水效應(yīng)、主–客體識別和π–π堆疊等），為構(gòu)建功能化纖維素納米復(fù)合材料開辟了全新路徑。這些相互作用不僅能夠在納米纖維素（cellulose nanomaterials, CNMs）與多種基體之間構(gòu)建協(xié)同界面網(wǎng)絡(luò)，還能實現(xiàn)材料強韌性、自愈性、導(dǎo)電性與刺激響應(yīng)等多重性能調(diào)控，賦予材料“組裝–解組裝”的動態(tài)響應(yīng)能力。作者強調(diào)，未來材料設(shè)計需結(jié)合具體應(yīng)用場景，靈活整合多類超分子策略，在功能性、環(huán)境穩(wěn)定性、制造復(fù)雜度與成本控制之間取得平衡，推動纖維素材料向高性能與綠色可持續(xù)雙重目標邁進。

圖2 面向纖維素納米復(fù)合材料的超分子化學(xué)工程策略。版權(quán)Springer Nature 2025。

  在材料構(gòu)筑方面，文章系統(tǒng)總結(jié)了多種基于超分子化學(xué)的先進加工策略，包括分子識別自組裝、液晶模板引導(dǎo)、逐層組裝、空間限域輔助、乳液模板以及無溶劑綠色制備等。這些方法以非共價相互作用為核心驅(qū)動機制，實現(xiàn)在納米尺度調(diào)控基礎(chǔ)上構(gòu)建具備宏觀功能的復(fù)合結(jié)構(gòu)，使材料具備優(yōu)異的拉伸性、自修復(fù)性、結(jié)構(gòu)色以及各向異性增強性能，廣泛適用于柔性電子、功能涂層、高強結(jié)構(gòu)件等多個應(yīng)用領(lǐng)域。

圖3 基于超分子組裝的纖維素納米復(fù)合材料構(gòu)筑路徑。版權(quán)Springer Nature 2025。

  此外，文章深入探討了纖維素基復(fù)合材料在機械增強、光學(xué)響應(yīng)、熱導(dǎo)調(diào)控、離子輸運與環(huán)境降解等方面的多重性能調(diào)控機制。例如，氫鍵與靜電相互作用可顯著提升材料的力學(xué)強度與韌性；手性CNCs可通過自組裝形成結(jié)構(gòu)色薄膜或手性等離激元超結(jié)構(gòu)；高導(dǎo)熱填料（如氮化硼、石墨）協(xié)同構(gòu)建致密界面，可使復(fù)合材料導(dǎo)熱率超過10?W/m·K，用于高效輻射冷卻；通過金屬配位拓展鏈間間距，則可構(gòu)建高效離子通道，使離子電導(dǎo)率達到10^-3 S/cm，具備發(fā)展固態(tài)電解質(zhì)的潛力。同時，纖維素的天然可降解性，在非共價網(wǎng)絡(luò)的輔助下，實現(xiàn)了力學(xué)性能與生態(tài)友好性的協(xié)同統(tǒng)一，凸顯其作為高性能綠色材料的獨特優(yōu)勢。

圖4 超分子策略賦能纖維素復(fù)合材料多性能調(diào)控與應(yīng)用示例。版權(quán)Springer Nature 2025。

  盡管如此，文章也指出該領(lǐng)域從基礎(chǔ)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)均勻性、界面相容性與超分子網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性之間的平衡，是未來研究的關(guān)鍵。為此，作者建議加強分子級設(shè)計與宏觀制造的多尺度協(xié)同，結(jié)合原位表征、人工智能（AI）與多尺度建模，深入理解“結(jié)構(gòu)–性能–功能”之間的關(guān)聯(lián)機制。同時，引入動態(tài)共價鍵策略可兼顧材料的可重復(fù)使用性與可降解性。在規(guī)模化制備層面，還需關(guān)注原料來源、成本控制與制備效率，探索農(nóng)業(yè)廢棄物再利用與數(shù)字化制造等新路徑。

  作為一篇兼具系統(tǒng)性與前瞻性的高水平綜述，該論文為纖維素材料從“天然高分子”向“功能工程材料”的轉(zhuǎn)變描繪了清晰的研究圖譜，也為綠色材料科學(xué)的持續(xù)發(fā)展提供了有價值的討論。未來，隨著超分子化學(xué)工程技術(shù)的不斷進步與跨尺度協(xié)同機制的持續(xù)發(fā)展，纖維素納米復(fù)合材料有望在塑料替代、智能器件、生物醫(yī)療、食品、能源儲存轉(zhuǎn)化、環(huán)境治理與功能涂料等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，成為引領(lǐng)綠色材料變革的重要力量。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41578-025-00810-5

  課題組鏈接：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm

作者簡介

  陳朝吉，武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。2015年博士畢業(yè)于華中科技大學(xué)，2015-2021年分別于華中科技大學(xué)與馬里蘭大學(xué)帕克分校從事博士后研究，并于2021年5月入職武漢大學(xué)資環(huán)學(xué)院組建X-Biomass課題組。從事生物質(zhì)材料（木材、竹材、纖維素、甲殼素等）的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解決可持續(xù)發(fā)展面臨的材料-能源-環(huán)境挑戰(zhàn)。以第一/通訊作者（含同等貢獻）在Nature (2篇)、Science、Nature Reviews Materials (2篇)、Nature Sustainability (2篇)、Nature Communications (8篇)等國內(nèi)外著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文100余篇，總引用36,000余次，H因子101。獲科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”（2021-2024連續(xù)四年入選材料科學(xué)領(lǐng)域）、斯坦福大學(xué)“全球前2%高被引科學(xué)家”終身影響力榜單、麻省理工科技評論亞太區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中國化學(xué)會纖維素專業(yè)委員會青年學(xué)者獎”、“Advanced Science青年科學(xué)家創(chuàng)新獎”、“前沿材料青年科學(xué)家獎”、阿里巴巴達摩院“青橙優(yōu)秀入圍獎”、“中國新銳科技人物卓越影響?yīng)?/span>”、“R&D 100 Awards”、“武漢大學(xué)杰出青年”等榮譽。擔(dān)任The Innovation Materials學(xué)術(shù)編輯，The Innovation、Research、SusMat、Environmental Science & Ecotechnology、Green Carbon、Molecules等雜志編委/青年編委，以及中國化學(xué)會纖維素專業(yè)委員會委員。

  陳露，博士后，武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，主要從事生物質(zhì)資源利用與環(huán)境水處理應(yīng)用研究。入選2025年度中國博士后創(chuàng)新人才支持計劃，以第一作者（含同等貢獻）在Nature Reviews Materials、Nature Communications、The Innovation、Progress in Materials Science、ACS Nano等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文8篇，論文總引800余次，H因子14。

  余樂，副研究員，武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，主要從事天然高分子基功能材料的設(shè)計合成以及極端環(huán)境儲能應(yīng)用研究。以第一/通訊作者（含同等貢獻）在Nature Reviews Materials、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Nature Communications、Matter、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文14篇（含ESI高被引論文4篇），論文總引2200余次，H因子23。