面對日益嚴(yán)峻的能源危機與環(huán)境污染,尋找替代石油基材料的可持續(xù)方案成為全球共識。纖維素,作為地球上最豐富的天然高分子,在功能性三維結(jié)構(gòu)構(gòu)筑中展現(xiàn)出巨大潛力。近日,來自不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒教授團隊在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表綜述文章,系統(tǒng)總結(jié)了基于纖維素的液態(tài)凝膠與多孔材料的最新研究進展,重點討論其在柔性電子、熱管理和水收集等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。
隨著可持續(xù)材料研究的迅猛發(fā)展,構(gòu)筑具有功能性的三維(3D)結(jié)構(gòu)成為推動綠色科技的關(guān)鍵一環(huán)。相比傳統(tǒng)石油基聚合物材料,天然纖維素因其結(jié)構(gòu)多樣性、生物降解性和表面官能化能力,成為打造功能性3D材料的理想候選者。
本綜述文章聚焦于兩大類基于纖維素的3D結(jié)構(gòu):液態(tài)凝膠(如水凝膠、離子凝膠)與多孔材料(如氣凝膠、泡沫)。作者通過結(jié)構(gòu)-性能-功能的視角,梳理了各類材料的設(shè)計策略與應(yīng)用前景。
圖1:纖維素3D結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與應(yīng)用
凝膠方面,文章介紹了纖維素納米纖維(CNFs)與納米晶(CNCs)在凝膠體系中作為增強劑、分散劑及主體骨架的多重角色,并探討了通過溶劑系統(tǒng)調(diào)控所得凝膠的導(dǎo)電性、耐低溫性和可拉伸性能。
圖2. 纖維素在構(gòu)建凝膠體系中的不同角色
多孔材料方面,文章重點展示了通過定向冷凍、溶劑置換、3D打印等手段構(gòu)建結(jié)構(gòu)可控、光學(xué)透明或具彈性回復(fù)能力的纖維素多孔網(wǎng)絡(luò)。尤其是在氣凝膠方向,作者總結(jié)了多種策略用于實現(xiàn)纖維排列精細化和孔徑調(diào)控,使得所得材料兼具高透光率和優(yōu)良力學(xué)性能。
圖3. 透明纖維素3D多孔網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建
基于上述結(jié)構(gòu)設(shè)計,纖維素3D結(jié)構(gòu)在多個前沿領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力。例如:
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柔性電子:可拉伸、導(dǎo)電凝膠用于穿戴式傳感器;
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熱管理:透明氣凝膠作為隔熱材料,兼具輕質(zhì)與高效;
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水收集與濕度調(diào)節(jié):結(jié)合鹽類吸濕劑實現(xiàn)高效大氣水捕集。
該文為構(gòu)建基于纖維素的功能性三維材料提供了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計策略與性能優(yōu)化路徑。未來,結(jié)合動態(tài)交聯(lián)、結(jié)構(gòu)分級構(gòu)建與先進制造技術(shù),有望推動纖維素3D材料在智能可穿戴、生物醫(yī)學(xué)、能源與環(huán)境等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
該綜述文章以題為“Transforming Cellulose Into Functional Three‐Dimensional Structures” 的研究成果,近日發(fā)表在國際著名期刊《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.202504778)上。文章由不列顛哥倫比亞大學(xué)(University of British Columbia)Sustainable Functional Biomaterials Lab博士生(Xia Sun)和訪問博士生(Hao Sun)擔(dān)任第一作者,姜鋒(Feng Jiang)教授為唯一通訊作者。
作為該課題組在可持續(xù)功能材料研究方向的重要積累,該工作延續(xù)了團隊在天然高分子結(jié)構(gòu)調(diào)控與功能集成方面的持續(xù)探索。近年來,姜教授團隊已在該領(lǐng)域發(fā)表多篇高水平論文,持續(xù)推動綠色材料在多場景中的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。
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