纳米纤维素具有环境友好和可持续的天然优势，同时又展现出高性能材料所需的轻质、高强和可功能化定制等优点，因此能够作为功能组分构建一系列的多维度高性能宏观材料。近年来，已经开发了深共晶溶剂、化学-机械处理、细菌发酵等技术制备纳米纤维素（纤维素纳米晶CNC，纤维素纳米纤维CNF和细菌纤维素BC等）。然而，上述方法制备纳米纤维素存在所需设备要求高、能耗大以及生产效率低等问题，限制了纳米纤维素的商业化生产和大规模应用。因此，开发便捷、高效、低成本的纳米纤维素制备方法仍具有很大的挑战性。

  华南师范大学周国富教授团队张振课题组致力于纳米纤维素的绿色制备、性能调控、功能材料复合和应用等。通过纳米纤维素的绿色制备、表面改性和组装等，构筑生物可降解、高性能、多功能的纳米纤维素基复合材料，探索其广泛应用，致力于构建绿色环保、低碳、能源节约型社会。近年来，在Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry A、Small、Carbohydrate Polymers、ACS Applied Materials & Interfaces和ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊发表一作和通讯作者学术论文40余篇，论文被引用3100多次，H指数32；以第一发明人授权发明专利10项。

  前期，华南师范大学张振和浙江理工大学李营站教授合作，通过过滤、离心等简单的分离方法，从牛粪中提取了木质纤维素纳米颗粒（LCNP），证明牛经过消化系统，通过物理、化学、生物等方式将植物纤维进行了分解和吸收，在牛粪中本来就含有纳米材料，牛的消化系统既是一个纳米材料的加工厂，而且LCNP表现出优异的皮克林（Pickering）乳化能力。通过对牛粪的高附加值处理和利用，实现牛（牛奶、牛肉、牛皮和牛粪）的全方位开发。（Lignocellulose Nanoparticles Extracted from Cattle Dung as Pickering Emulsifiers for Microencapsulating Phase Change Materials. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2023, 11(38), 14255–14266）

  近日，华南师范大学张振和湖北大学尤俊教授合作，提出了一种便捷、低能耗、高效的制备纳米纤维素的方法，即基于“准溶剂”（DMSO/KOH）的预溶胀处理，并设计极性可电离酯化基团的接枝反应，成功将不同的纤维素原料自剥离成纤维素纳米纤维（CNF）。该成果以“Self-exfoliation of cellulose nanofibrils via one-pot pseudosolvent swelling/esterification for functional pellicular materials”为题发表在Carbohydrate Polymers（中科院一区、JCR一区，IF 10.7）上。

图1. “准溶剂”法溶胀和自剥离的流程示意图、各阶段的纤维形貌图和方法对比图。

  由DMSO/KOH构成的“准溶剂”，在溶胀过程中不仅能够渗透纤维素纤维间的氢键网络，有效破环纤维素原纤间的强相互作用力（氢键和范德华力等），使其充分溶胀但不溶解，而且能够显著提升表面羟基的反应活性，缩短反应时间。随着溶胀时间的增长，棉短绒纤维由原本宽约几十微米、长度可达几毫米的带状纤维逐步分离成直径约几十纳米的松散纤维束网络，呈现了DMSO/KOH对纤维素的高度溶胀效果，也增大了后续酯化反应的可及度（图1B-E）。相较于传统方法导致的水解、结晶度下降问题。经过“准溶剂”溶胀后松散的纳米纤维网络仍然保持和原料接近的结晶度。

图2. CNFs的物理性质和化学结构表征。

  溶胀后的纤维素与邻苯二甲酸酐（PA）发生酯化反应，引入带羧酸的极性基团，通过静电排斥和极性排斥实现纳米纤维的自剥离，仅需30秒即可观察到原本浑浊的分散液澄清。整个过程仅需两步（溶胀+酯化），耗时短、能耗低，CNFs产率高达98%（图1I），所得CNFs长度440-780 nm，厚度仅2.2-4.5 nm（图1G-H）。此外，流变、UV-VIS、固体核磁碳谱以及FT-IR结果进一步证实了PA的成功接枝并具有较高的取代度。（图2）

图3. CNF膜的光学、力学性能和形状记忆与擦除能力。

  如图3所示，基于CNFs的薄膜材料展现出卓越的综合性能。经过真空抽滤和干燥后的CNF膜兼具高透光率（>80%）、高雾度（>90%）、高强度（95.9 MPa）和高模量（3.8GPa）。此外，层状结构的CNF薄膜经乙醇浸泡可使薄膜软化并重塑形状或拉伸取向，干燥后即可固定，实现可逆编程。该薄膜可替代塑料，用于食品保鲜或电子器件保护等领域。

图4. CNF稳定的pH-响应性Pickering乳液和具有薄膜干涉的纳米膜。

  CNFs不仅能够稳定分散于DMSO中，也能稳定分散于水中，并展现了可调的pH响应特性。基于这一特性制备的Pickering乳液可实现pH调控的可逆乳化-破乳循环（图4A-D），这一智能响应特性在环境治理和石油开采等领域具有重要应用前景。通过控制低浓度CNF分散液的缓慢干燥过程，可获得具有薄膜干涉的超薄纳米膜。这种薄膜在自然光下呈现虹彩效应，其形成过程具有不可复制性，且显色图案会因水浸润而发生不可逆变化（图4E-F）。这些特性使其在防伪认证、智能包装以及新型防水标识等领域展现出巨大的应用潜力。

  该工作不仅为纳米纤维素的高效制备提供了新思路，还通过功能化设计拓展了其在智能材料领域的应用边界。其低能耗、绿色化的工艺路线，有望推动纤维素基材料的大规模产业化，助力“双碳”目标实现。华南师范大学硕士丁羽高（现为南方科技大学材料系博士生）为本文的第一作者，华南师范大学张振和湖北大学尤俊为通讯作者。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123623