惊呆，那些化“朽木”为神奇的科学家

今天给大家介绍三位木材、纳米纤维素领域研究的大牛，分别是胡良兵、俞书宏、Lars A. Berglund，供大家学习参考。

Science：轻质、坚固、可塑性木材通过细胞壁工程作为可持续结构材料

木材是一种可持续的结构材料，但它不能在保持其机械性能的同时容易塑形。美国马里兰大学胡良兵教授等人报告了一种处理策略，使用细胞壁工程塑造平板硬木成通用的三维(3D)结构。基于部分去木质素和软化天然木材，然后通过干燥缩小容器和纤维，然后水浸泡，有选择地打开通道。这种快速的水冲击过程形成了一个独特的部分开放、起皱的细胞壁结构，为压缩提供了空间，并具有支持高应变的能力，使材料易于折叠和成型。然后，这种可塑木材可以实现的不同形状和结构可以通过空气干燥来去除剩余的水，形成最终的3D成型木材产品。由此产生的3D成型木材比起始木材坚固六倍，并与铝合金等广泛使用的轻质材料相当。这种方法拓宽了木材作为结构材料的潜力，降低了建筑和交通应用对环境的影响。相关研究以“Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material”为题目，发表在Science上。DOI: 10.1126/science.abg9556

图1 褶皱细胞壁工程策略使木材更坚固和可塑形

Nature：铜配位纤维素离子导体用于固态电池

虽然固态锂(Li)金属电池具有较高的能量密度和安全性，但现有的固体离子导体无法满足电池运行的严格要求。无机离子导体允许快速离子传输，但其刚性和脆性的性质阻止了与电极的良好界面接触。相反，锂金属稳定的聚合物离子导体通常提供更好的界面兼容性和机械耐受力，但通常由于离子输运与聚合物链运动的耦合，离子导电性较差。美国马里兰大学胡良兵教授等人报道了通过分子通道工程实现高性能固体聚合物离子导体的一般策略。通过Cu²⁺与一维纤维素纳米纤维的配位，研究人员发现，通常离子绝缘的纤维素分子通道的开放使Li⁺离子沿着聚合物链快速传输。除了具有较高的Li⁺电导率(室温下沿分子链方向为1.5 × 10⁻³ s/cm)外，Cu²⁺配位的纤维素离子导体还具有较高的转移数(0.78，与其他聚合物的0.2-0.5相比)和一个宽的电化学稳定性窗口(0-4.5V)，可以容纳锂金属阳极和高压阴极。这种一维离子导体还允许离子在厚LiFePO4固态阴极中渗透，用于高能量密度的电池。此外，研究还验证了这种分子通道工程方法与其他聚合物和阳离子的通用性，实现了类似的高导电性，这可能会超越安全、高性能的固态电池。相关研究以“Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries”为题目，发表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-021-03885-6

图2 Li-Cu-CNF固态离子导体的结构和离子输运性能

Nature Sustainability：从天然竹子中提取的可持续的高强度纤维

聚酯纤维和碳纤维等合成纤维被广泛应用于各种工业中。然而，由于它们来自既不可再生也不可生物降解的石化产品，近年来，自然替代品的发展势头日益强劲。在这里，美国马里兰大学胡良兵教授等人报道了一种自上而下的方法，可从竹茎中规模化生产纤维素纤维，包括温和的脱木质素过程，然后是水辅助空气干燥。所提取的纤维由排列紧密的纤维素纳米纤维组成，具有很强的氢键和范德华力，拉伸强度为1.90±0.32 GPa，杨氏模量为91.3±29.7 GPa，韧性为25.4±4.5 MJ m⁻³。它超过了木材纤维，可与合成碳类似物相媲美。由于密度低，比强度高达1.26±0.21 GPa cm⁻³ g⁻¹，超过了大多数增强成分，如钢丝、合成聚合物和玻璃纤维。生命周期评估显示，用现有的天然纤维取代结构复合材料中的聚合物和碳纤维，可以大幅减少碳排放。该工作为更广泛的应用领域提供了可持续性的途径，包括汽车、航空和建筑。相关研究以“Sustainable high-strength macrofibres extracted from natural bamboo”为题目，发表在Nature Sustainability上。DOI: s41893-021-00831-2

图3 从天然竹茎到分离脱木质素竹纤维素纤维的形态和微观结构演变

AFM：可食用、超强、不含微塑料的细菌纤维素吸管

一次性塑料吸管的广泛使用造成了严重的环境问题，并对人类健康构成潜在威胁，而纸吸管作为其最常用的替代品，由于机械性能差和用户体验不愉快，并不令人满意。中科院俞书宏院士等人报道了一种以细菌纤维素(BC)为原料，生物合成制备的可食用无微塑料吸管。通过海藻酸盐涂层，这种BC基吸管获得了比纸基更好的机械性能，并避免了额外的粘合剂。基于3D纳米纤维网络和强大的层间连接，该吸管综合性能优于市面上同类产品，满足实际使用需求。特别值得注意的是，可食用特性为吸管提供了更好的用户体验和新的报废选择，使基于BC的吸管成为更健康、更环保的塑料吸管替代品。相关研究以“Edible, Ultrastrong, and Microplastic-Free Bacterial Cellulose-Based Straws by Biosynthesis”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202111713

图4 BC基吸管制备及细菌纤维素结构示意图

ACS Materials Lett.：可持续性、具有多尺度结构的高雾度透明薄膜

中国传统宣纸以其高强度、高韧性和高柔韧性而著称。微观上，这种显著的力学性能来自于其均匀的纳米和微观结构。在这里，受生物材料和宣纸的多尺度结构设计的启发，中科院俞书宏院士等人报道了一种具有超细纳米和微尺度结构的超强、超柔韧性透明纤维素纤维薄膜。通过在纤维素纳米纤维网络中引入微米级纤维素纤维，多尺度薄膜将高强度(258MPa)和韧性(7.90 MJ m⁻³)与低热膨胀系数、高透光率(82.7%)和高雾度(97.4%)同时结合在一起。此外，多尺度的设计使薄膜在完全折叠和卷装后可以恢复完整，是一种高性能和环保的替代薄膜材料，适用于柔性电子器件的实际应用。相关研究以“Sustainable Multiscale High-Haze Transparent Cellulose Fiber Film via a Biomimetic Approach”为题目，发表在ACS Materials Lett.上。DOI: 10.1021/acsmaterialslett.1c00630

图5 多尺度薄膜的制备

Nano Lett.：具有高密度可逆相互作用网络的植物纤维素纳米纤维衍生结构材料替代塑料制品

无处不在的石化塑料对生态系统构成潜在威胁。为此，生物衍生和可降解高分子材料正在被开发，但它们的机械和热性能无法与现有的石化基塑料竞争，特别是那些用作结构材料的塑料。中科院俞书宏院士等人报道了一种生物可降解植物纤维素纳米纤维(CNF)衍生的聚合物结构材料，该材料具有高密度的可逆相互作用网络，其力学性能和热性能优于现有的石化基塑料。与现有的石化基塑料相比，这种全绿色材料的抗弯强度(~ 300 MPa)和模量(~ 16 GPa)显著提高。其平均热膨胀系数仅为7 × 10⁻⁶ K⁻¹，比石化基塑料的热膨胀系数低10倍以上，说明其受热时尺寸基本不变，具有比塑料更好的热尺寸稳定性。作为一种完全生物衍生和可降解的材料，全绿色材料为石化基塑料提供了更可持续的高性能替代品。相关研究以“Plant Cellulose Nanofiber-Derived Structural Material with HighDensity Reversible Interaction Networks for Plastic Substitute”为题目，发表在Nano Lett.上。DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02315

图6 植物CNF衍生结构材料的制备与性能

Adv. Sci.：高性能，完全生物基，光学透明的木头材料

工程生物复合材料的可持续发展由于缺乏生物基单体的优良工艺与高性能结合而受到限制。在这里，瑞典皇家理工学院Lars A. Berglund教授报道了一种新型全生物基透明木材生物复合材料，该材料基于可再生资源的新型丙烯酸柠檬烯单体的绿色合成。该单体浸渍在脱木质素的琥珀酰化的木材基板中聚合，形成光学透明的生物复合材料。丙烯酸柠檬烯的化学结构使扩散进入细胞壁，聚合物相折射率匹配，并共价连接到木材基板。这使得纳米结构的生物复合材料在1.2 mm厚度时具有优良的光学透光率90%和显著的低雾率30%，同时具有较高的机械性能(强度174 MPa，杨氏模量17 GPa)。生物基透明木材在可持续木材纳米技术的结构应用方面具有巨大的发展潜力，其中透明和机械性能相结合。相关研究以“High Performance, Fully Bio-Based, and Optically Transparent Wood Biocomposites”为题目，发表在Adv. Sci.上。DOI: 10.1002/advs.202100559

图7 a)合成丙烯酸柠檬烯(LIMA)单体的化学路线。b) PLIMA的光学透过率和雾度。c)与普通热固性聚合物相比，PLIMA生物基聚合物的力学性能。d)木材结构示意图以及生物基透明木材。

Chem. Mater.：具有结构色的透明木材纳米复合材料的简易加工

木材是一种生态友好和丰富的基质，是大规模纳米技术功能化的候选者。然而，纳米粒子渗透到木材中，受到木材分层结构和相互连接的纤维的阻碍。在这项工作中，瑞典皇家理工学院Lars A. Berglund教授将去木质素的木材浸渍金和银盐，通过微波辅助合成，再原位还原成等离子体纳米粒子。透明生物复合材料是由含有纳米颗粒的木材制成的，这种木材是具有结构颜色的承重材料，这种着色源于纳米粒子表面等离子体激元。去木质素的木材预先设计在纤维“管”表面，可作为绿色还原剂和纳米颗粒附着的加强支架。利用扫描透射电子显微镜(STEM)、能量色散光谱(EDS)和拉曼显微镜研究纳米结构，以确定颗粒大小、颗粒分布和结构-性质关系。还研究了包括对偏振光的响应等在内的光学特性。相关研究以“Facile Processing of Transparent Wood Nanocomposites with Structural Color from Plasmonic Nanoparticles”为题目，发表在Chem. Mater.上。DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c00806

图8 Ag-TW和Au-TW的光学性质

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本文由junas供稿。