纤维素纳米纤维（CNF）与二维纳米片材料可以通过真空辅助自组装和干燥形成多功能复合材料。调控干燥过程会对材料的性能产生重大影响，同时干燥过程也涉及到复杂的应力应变和微纳米结构变化，然而，此类变化在CNF/二维纳米片自组装体系中仍然是未知的，因此，亟需开展相关研究探讨这一科学问题。

图2：（a）CNF-water，C/M-water和C/M-EtOH样品在q区间范围0.9-2.9 ?^–1的衍射图谱；(b)不同方法测量所得液体含量变化趋势；（c）CNF（004）和MTM （200）/（130）晶面应变随干燥时间的变化。

图6：小角X射线散射分析所得取向度随q区间的变化。

  该工作进行了详细的机理解释并构建了CNF和MTM纳米片干燥过程结构变化模型。CNF从水中干燥时，毛细管力会导致晶体结构发生微小应变，从而使得CNF晶体排列规整度下降，表观谢勒尺寸下降、取向度下降；当复合薄膜从乙醇中干燥时，由于乙醇的表面张力远小于水，这使得毛细管力减小，导致CNF具有更大的自由度，更低的取向度和更大的表观谢勒尺寸（图7）。当复合薄膜从水环境中干燥时，其MTM纳米片自组装过程分为三个阶段：（1）固体含量为12-50%时，MTM纳米片有较为固定的分布区间且变化趋势不明显；（2）固体含量为50-80%时，MTM纳米片形成微聚体，导致取向度增高，表观谢勒尺寸增加；（3）固体含量大于80%时，毛细管力开始发挥明显作用，MTM晶体层面的微变形开始发生，导致取向度下降。当复合薄膜从乙醇环境干燥时，发现微聚体在水/乙醇溶剂交换过程形成，随着固体含量持续升高，微变形同样发生，但由于乙醇具有更低的表面张力，使得它最终的微聚体尺度更大。

图8：MTM纳米片从不同样品中干燥时不同尺寸层级聚集态形态和取向度变化。

  论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03664

  部分作者简介：

  Lars A. Berglund教授现为瑞典皇家理工学院（KTH）纤维与聚合物工程系教授，瑞典皇家工程院院士，国际生物纳米复合材料领域知名专家，2023年获国际纤维素与可再生资源材料领域最高奖安塞姆·佩恩奖（The Anselme Payen Award）。迄今已指导博士研究生30余名，在国际知名期刊发表论文150余篇，论文被引用近4万次。

  Yoshiharu Nishiyama（西山义春）博士现就职于法国国家科学研究院植物大分子研究中心，他致力于运用现代衍射技术、分子动力学模拟与计算机模拟计算相结合的方法解析天然大分子的晶体结构，特别是氢键的结构。1999-2004期间，他所解析的晶体纤维素的结构（Iα, Iβ, II, III）为纤维素领域同行广为接受。西山义春博士于2002年获得日本木材学会奖，于2015年获得有着“森林木材科学领域的诺贝尔奖”之称的马库斯·沃伦伯格奖（Marcus Wallenberg Prize），2021年获国际纤维素与可再生资源材料领域最高奖安塞姆·佩恩奖。

  李崚湾博士现为瑞典皇家理工学院Lars A. Berglund教授团队博士后，主要研究方向为高分子/纳米纤维素基复合材料，X射线衍射等。共发表SCI论文30余篇，论文被引用600余次，近年来以第一作者/通讯作者在Advanced Materials，ACS Nano，Carbohydrate Polymers等国际知名期刊上发表论文10余篇。