纳米纤维素作为地球上最丰富的可持续生物聚合物，已成为新一代软材料设计的关键原料。凭借其高结晶度、高长径比、优异的机械强度和生物相容性，纳米纤维素在柔性电子、组织工程、能源存储等领域展现出巨大潜力。将纳米纤维素融入凝胶网络，可以构建出兼具柔性、强韧、多功能的凝胶材料。然而，传统纳米纤维素水凝胶往往面临两类瓶颈：一是力学性能与功能集成难以兼得；二是环境稳定性不足。

  在这一背景下，“液相工程（Liquid-Phase Engineering）”提供了一条全新路径：液体不再只是填充介质，而是与纳米纤维素和聚合物并列的结构构筑单元。通过精心选择并设计液相（如水、有机溶剂、离子液体、低共熔溶剂），可以大幅提升纳米纤维素凝胶的机械强度、环境耐受性与多功能性。

  近日，天津大学苏荣欣团队在Advanced Functional Materials 发表综述“Liquid-Phase Engineering of Nanocellulose Gels for Enhanced Mechanical Performance and Multifunctionality”，围绕以液相为中心的凝胶设计理念，对纳米纤维素凝胶的结构设计、制备策略、性能调控与应用场景进行了系统回顾。天津大学浙江研究院闪璨璨助理研究员为论文的第一作者，天津大学化工学院苏荣欣教授为通讯作者。

1.液相如何重塑凝胶性能

  回顾近十年的研究可以发现，纳米纤维素复合凝胶材料的演进正在从固相网络强化走向液相-固相协同编程。传统策略多聚焦于聚合物-纳米纤维素网络，而该文章强调，液相可通过影响界面作用，同时影响纳米纤维素分散稳定性、凝胶网络拓扑、能量耗散与传输行为，从而成为决定性能上限的“隐形骨架”。

  水易冻结且挥发；有机溶剂体系可降低冰点并增强保水；离子液体不易挥发、耐高温且导电性好；低共熔溶剂温域宽并具可持续潜力。因此，通过合理选择液相，可优化凝胶的力学行为、导电性、自修复和环境稳定性等。

图1 以液相为构筑单元设计不同类型的纳米纤维素复合凝胶及其功能。

2.以液相分类凝胶：水凝胶、有机水凝胶、离子凝胶、低共熔凝胶

1）水凝胶

  水凝胶的优势在于类组织软湿与生物友好；短板在于机械不足与环境不稳定。文章提出，在设计纳米纤维素复合水凝胶时，需特别关注纳米纤维素的分散性、负载量以及聚合物网络与纳米纤维素的相互作用。均匀分散是避免团聚导致的应力集中的关键，尤其在纳米纤维素含量较高时更为重要。此外，纳米纤维素的表面化学特性与刚性应与聚合物基体相匹配，确保应力有效传递，以满足特定应用需求。

图2 纳米纤维素复合水凝胶。

2）有机水凝胶

  有机溶剂（甘油、乙二醇、DMSO等）与水形成强氢键网络，既抑制冰晶也降低蒸气压，从而同时提升凝胶抗冻与保水性能。文章提出，纳米纤维素复合有机水凝胶的理性设计需精确调控溶剂组成与纳米纤维素-溶剂间的相互作用。有机溶剂的选择应优先考虑与纳米纤维素及聚合物的强氢键结合能力，以确保形成均匀凝胶网络并赋予抗冻防脱水特性。制备工艺（原位凝胶化或溶剂置换）的选用应基于加工简便性及性能调控需求。

图3 纳米纤维素复合有机凝胶。

3）离子凝胶

  离子液体具有抗干、耐高温与优异导电性等优势，同时离子还能破坏纤维素分子间氢键，成为纤维素溶解的重要溶剂。文章提出，对于纳米纤维素复合离子凝胶，关键的挑战在于平衡离子导电性、力学强度与加工可行性。离子液体的选择需考虑其与纳米纤维素的亲和力、热稳定性及挥发性。尽管纤维素的溶解/再生策略可实现分子级整合，但基于纳米纤维素在离子液体中分散的简化方法则能提升可加工性与力学性能。调控离子液体与纳米纤维素的相互作用对于构建性能稳定、功能多样的离子凝胶至关重要。

图4 纳米纤维素复合离子凝胶。

4）低共熔凝胶

  低共熔溶剂具有低挥发、温域宽及可持续潜力。文章提出低共熔凝胶的设计应侧重于纳米纤维素、低共熔溶剂和聚合物网络之间的相容性。对于可聚合的低共熔溶剂系统，选择合适的低共熔溶剂可以使液相同时作为溶剂、单体和导电介质。在不可聚合的低共熔溶剂系统中，保持稳定的纳米纤维素分散和凝胶基质内的有效载荷传递至关重要。

图5 纳米纤维素复合低共熔凝胶。

3. 功能实现：自粘附、导电、自愈合与环境适应性

  通过合理设计液相与纳米纤维素、聚合物的相互作用，可赋予凝胶多种先进功能：

  1）自粘附凝胶：引入单宁酸、多巴胺等功能分子，或通过液相调控界面氢键与离子相互作用，实现对多种基底的牢固且可逆粘附。

  2）导电凝胶：结合离子液体、低共熔溶剂或添加导电填料（如MXene、CNT），构建高导电、可拉伸的柔性电路与传感器。

  3）自愈合凝胶：利用动态共价键、非共价相互作用及液相调控的分子间相互作用实现损伤后的快速自主修复。

  4）环境适应凝胶：通过液相设计构筑抵御低温、干燥和高温等极端环境的凝胶材料，保持性能稳定。

图6 自粘附纳米纤维素复合凝胶。

4. 挑战与展望

  尽管液相工程为纳米纤维素凝胶带来显著性能提升，其仍面临诸多挑战：

  1）机理理解不足：液相-纳米纤维素-聚合物间的多尺度相互作用机制尚不清晰；

  2）高固含量难题：高浓度纳米纤维素易聚集，影响凝胶均匀性与力学性能；

  3）规模化生产困难：现有方法多局限于实验室规模，需发展3D打印、连续挤出等连续化工艺；

  4）环境与安全：部分有机溶剂与离子液体存在毒性或难降解问题，需开发更绿色的溶剂体系。

  未来，通过结合理论模拟、原位表征与智能设计，构建具有明确“组成-结构-性能”关系的液相工程策略，将推动纳米纤维素凝胶在柔性电子、可持续能源和生物医用领域的实用化与产业化，助力材料循环经济与低碳发展。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.73842