摘要：为减少对石油资源的依赖并应对气候变化，科学界正在积极开发可持续、可再生的新材料。纤维素作为地球上最丰富的天然生物高分子（年产量约为1.5 万亿 吨），因其可降解性和 碳中和 生命周期，成为极具潜力的替代材料。纤维素来源于植物细胞壁，可构建从纳米纤维到宏观复合结
超分子化学工程纤维素纳米复合材料！
为减少对石油资源的依赖并应对气候变化，科学界正在积极开发可持续、可再生的新材料。纤维素作为地球上最丰富的天然生物高分子（年产量约为1.5 万亿 吨），因其可降解性和 碳中和 生命周期，成为极具潜力的替代材料。纤维素来源于植物细胞壁，可构建从纳米纤维到宏观复合结构的多级体系，广泛应用于塑料、纺织和复合材料领域。其中，纤维素纳米材料（CNMs）如纳米纤维（CNFs）和纳米晶体（CNCs）因其优异的力学性能和 可 调控性而受到广泛关注。通过化学或酶法预处理，这些材料不仅能保持结晶结构，还能通过表面改性提升其在复合材料中的适配性。近年来，研究已从基础增强性能扩展到赋予材料智能响应、自愈合、可控降解等功能，而这一进展的关键在于引入超分子化学策略。 通过设计和优化纳米结构与聚合物基体之间的非共价作用，科学家可以开发出具备高强度、响应性好且环保的纳米复合材料 （图1） 。 这一策略不仅提升了材料性能，还推动了其在可替代塑料、能源存储、环境治理和智能器件等前沿应用中的发展，为实现高性能与可持续性的统一提供了全新思路。
在此， 武汉大学 陈朝吉教授 联合布里斯托大学 Stephen J. Eichhorn教授 介绍了纤维素纳米复合材料的多尺度超分子工程及其制造和加工成材料 。 作者提供了材料和结构视角，说明如何通过超分子化学来调节这些纳米复合材料的机械、离子、光学和热特性以及环境降解性。最后，作者讨论了这些方法如何解决循环和环境可持续性目标，并强调了该领域的主要挑战和未来前景，呼吁进一步关注超分子化学工程，以最大限度地发挥这些材料的潜力 。 相关成果以“ Cellulose nanocomposites by supramolecular chemistry engineering ”为题发表在 《Nature Reviews Materials》 上，第一作者为 Lu Chen, Le Yu 为共同 一 作。
图 1：纤维素的分层结构和预处理
超分子化学工程策略
为了赋予纤维素纳米复合材料多功能和智能性能，研究者们通过表面化学修饰和非共价相互作用策略，提升了材料的结构稳定性、力学性能及响应性（如图2）。 纤维素表 面可通过共价接枝或吸附方式引入特定官能团，从而参与多种超分子相互作用，包括氢键、静电作用、金属配位、疏水作用、主–客体识别、π–π堆积和阳离子–π相互作用等。 氢键是 最 基础也最常用的方式，可通过引入动态多重氢键单元或外部交联剂来构建高强度、自修复或响应型网络；静电相互作用利用纤维素表面电荷与聚合物或纳米颗粒形成强配合，增强材料稳定性和复合性能；金属配位通过引入羧酸、磷酸等配位基与多价金属离子结合，赋予凝胶强度、导电性、抗菌性等特性；疏水相互作用则适用于有机体系，通过疏水修饰提升复合材料在非极性介质中的性能表现；主–客体作用如环糊精、瓜环、冠醚和 柱芳烃等宏环化合物 的引入，可实现高选择性识别、自组装与刺激响应；而π–π堆积和阳离子–π作用则可用于构筑有序排列的光电功能材料。各种非共价相互作用之间也可协同作用，进一步提升纤维素纳米复合材料的性能与稳定性。然而，不同作用方式在环境适应性、加工难度和成本上各有优劣，因此在设计过程中需根据具体应用需求选择最合适的策略，平衡功能性、可持续性与实际可行性，从而推动绿色高性能纤维素材料的开发与应用。
图 2：纤维素纳米复合材料的超分子化学工程策略
制造和加工策略
目前， 研究人员开发了多种基于超分子化学策略的纤维素纳米复合材料加工方法（图3），实现了从分子识别自组装、液晶模板构建、逐层组装、空间辅助组装、乳液组装到无溶剂制造等多种手段 。自组装利用氢键、金属配位或主–客体作用将纤维素链构建为网络结构，适用于可拉伸、自修复或柔性电子材料；CNC液晶模板可诱导构建具有结构色或手性结构的光子材料；逐层组装则通过静电吸附等方式精确控制膜层结构， 但难以规模化；空间辅助装配利用纳米孔道或方向性干燥实现各向异性增强，适用于高强度或多孔结构制备；乳液装配借助CNM稳定油水界面生成三维复合材料或包覆粒子，适用于自愈涂层和高性能复合体系；而无溶剂方法（如熔融挤出、注塑）则结合界面改性技术提升CNM与聚合物的相容性，实现绿色、高效的工业化加工。以上策略各有优劣，需根据目标应用在力学性能、环境响应性、成本和可持续性之间权衡选择，同时深入理解超分子相互作用如何影响复合材料结构与功能，是实现高性能纤维素材料设计的关键。
图 3：纤维素纳米复合材料的制造和加工策略
性能
纤维素材料兼具优异的化学与物理特性，如 两亲性 、结构可调性、高强度、热稳定性、手性和 可 降解性，因而被广泛用于开发高性能纳米复合材料 。其机械性能方面，纳米纤维素（CNMs）因尺寸小、缺陷少而具备高模量与强度，与 凯 夫拉等高性能纤维相媲美；通过提高取向、构建纳米 限域结构 并强化与填料间的超分子作用（如氢键、静电或π–π相互作用），可显著增强复合材料力学性能（图4a）。在光学方面，CNMs，特别是CNC，可自组装为手性向 列结构 反射结构色光，结合聚乙二醇（PEG）等助剂可实现多色调控；此外，通过静电 组装金纳米 粒子形成的手性等离子体结构展现出强烈的圆二色性（图 4b）。在热性能方面，纤维素本身导热差，适用于隔热材料，如低热导率的气凝胶；而与BN或石墨等高导热填料结合，并通过超分子作用优化界面相容性，则可获得热导率>10 W/m · K的导热复合材料（图4c）。在离子传导方面，通过Cu² ⁺ 等金属离子配位可扩展纤维素链间距，实现10 ⁻ ³ S/cm级高离子电导，适用于固态电解质（图4d）；此外，CNMs与二 维材料 构成的纳米通道具备高表面电荷调控能力，表现出优异 的纳流导电性 能。最后，在生物降解方面，纤维素天然可被微生物降解，但部分化学改性 可能抑制这一特性，而采用非共价构建的超分子纳米复合材料（如与壳聚糖通过静电相互作用形成的结构）不仅机械性能优越，也保持了良好降解性（图4e）。这展现了纤维素基纳米复合材料在高性能与可持续性之间的兼顾潜力。
图 4：控制纤维素纳米复合材料材料特性的代表性超分子方法
尽管基于超分子化学的纤维素纳米复合材料取得了显著进展，但其大规模应用仍面临诸多挑战。 要实现性能可调且可持续的材料体系，需在宏观结构均匀性、界面相容性和超分子结构稳定性之间取得平衡。这不仅要求精确调控CNMs的尺寸、形貌和分布，还需优化其与其他组分的非共价作用以提升力学、热学和 可 降解性能。 未来的研究将更加注重多尺度设计，结合分子级的超分子工程与宏观制造工艺，构建响应环境刺激的功能材料。同时，高分辨率原位表征和多尺度建模工具（如AI和机器学习）将有助于深入理解“结构–性能–功能”关系。 环境稳定性是另一关键课题，特别是在面对水 分、pH、温度等多变条件时，可引入动态共价键网络以提升材料稳定性的同时保持其可回收性和 可 降解性。在实现规模化生产方面，需解决原料获取、成本控制和质量一致性等难题，利用农业废弃物、自动化与数字化制造等手段可提高效率。此外，在材料设计过程中，应通过全生命周期评估工具，系统考虑资源消耗、环境影响和经济性，以实现真正可持续的材料解决方案。图3展示了超分子纤维素复合材料的多种组装策略，如分子识别自组装、液晶模板、层层组装、 限域空间 诱导、乳液模板及无溶剂制造，为应对上述挑战提供了多样化路径。政府政策、标准制定及产学研协作也将在推动这些绿色材料迈向实际应用中发挥关键作用。
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来源：志强教育