开发高性能可持续材料对于应对气候变化、推动循环经济和实现未来可持续发展具有重要战略意义。纤维素纳米纤维（CNF）薄膜因其可再生、可降解、生物相容性良好，以及优异的力学强度与光学性能，近年来引起广泛的研究关注与应用探索，被视为石油基塑料的理想替代材料之一。但其固有的低延展性与有限韧性，严重制约了实际推广与商业化应用。

  得益于CNF的高结晶度（60-80%）及薄膜的高紧度（1.0-1.4 g/cm³），CNF薄膜的拉伸强度可达150-250 MPa，优于大部分塑料。但由于纤维素分子链刚性强以及CNF的结晶度高，CNF薄膜展现出较差的延展性（断裂伸长率＜10%）和低的韧性（＜15 MJ/m³），与传统塑料薄膜（韧性一般在20-150 MJ/m³）相比仍有较大差距。这使得CNF薄膜在机械拉伸过程中易发生脆性断裂，从而限制了其使用寿命和应用潜力。因此，提升其延展性并增强韧性，已成为推动其在高端领域替代石油基塑料的关键突破方向。

  近日，华南理工大学的方志强研究员、广东工业大学邱学青教授和四川大学王静禹副研究员合作团队，从折纸龙三维折叠结构中获得灵感，提出了一项创新性的解决方案：将均匀亚微米木质素胶体球作为"软区"嵌入刚性CNF网络，成功制备出兼具高延展性和高韧性的纳米纤维素薄膜（L-CNF）。

  得益于木质素胶体球的亚微米尺度和高度均一性，这些“软区”在薄膜中形成了类似折纸龙菱形结构的有序分布，从而在拉伸过程中有效促进CNF的整体滑移与应力均匀分散。所制备的L-CNF薄膜延展性达54.25%，韧性达60.58 MJ/m³，较纯CNF薄膜分别提高了3.4倍和3.7倍。同时，该薄膜还具备紫外屏蔽和疏水性，展现出在可穿戴传感器等领域的应用潜力。

  更具意义的是，这一高性能薄膜的全部组分——纤维素与木质素——均直接来源于木材。研究充分证明，通过巧妙的结构设计与调控，木材衍生材料在替代塑料方面具有巨大的潜力和可行性。

  相关成果以“Kirigami Dragon-Inspired Structural Design for Super Tough and Highly Ductile Nanocellulose Films”为题发表在《ACS Nano》上。论文第一作者为2022级博士研究生林晓琪，通讯作者为华南理工大学方志强研究员、四川大学王静禹副研究员和广东工业大学邱学青教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1 展示了具有独特折叠结构的传统3D kirigami龙艺术品照片。其特殊的拉伸性能源于多个均匀变形区域，这些区域由清晰的褶皱线分隔。受此kirigami龙结构启发，所设计的高延展性、高韧性L-CNF薄膜的结构示意图及制备过程。在该结构中，均匀的亚微米级木质素胶体球作为软质区域，有序地分布于CNF网络中。得益于这种设计，L-CNF薄膜展现出优异的延展性和韧性。

图2 在木质素胶体球与CNF的复合过程中，柔性高长径比的CNFs紧密缠结木质素胶体球，形成大量接触点并构筑起互连的三维网络结构。该网络结构的形成源于CNF固有的强内聚力，这种内聚力使木质素胶体球得以稳定固定于CNF网络中。复合薄膜干燥后，单分散木质素胶体球均匀地嵌入CNF网络中。L-CNF薄膜的最终微观结构主要由木质素胶体球在CNF网络中的物理缠结和空间嵌入所主导，而非化学键合。

图3 不同木质素胶体球特性（尺寸、含量、多分散指数）L-CNF薄膜的应力-应变曲线与韧性；本研究L-CNF薄膜、其他报道的CNF薄膜及部分塑料薄膜的力学性能对比。

图4高延展性、高韧性L-CNF薄膜中木质素软区的增韧机制: CNF缠绕于木质素胶体球表面。木质素的塑性使其在外应力作用下发生轴向变形，导致CNF网络产生滑移现象，从而提升CNF薄膜的延展性和韧性。一方面，较大胶体球能诱导软区产生更显著形变，并在应力下引发更高程度的CNF滑移。另一方面，CNF薄膜各软区内不均匀变形会导致应力分布失衡、局部应力集中及裂纹萌生。相比之下，单分散木质素胶体球因变形能力相近，在CNF网络中均匀变形，实现应力均匀分布，从而强化增韧效果。

图5基于L-CNF薄膜的柔性电极在可穿戴传感器领域展现出重要应用价值。通过静电吸附石墨烯的工艺制成传感器电极具有卓越的机械柔性（耐受扭转/弯曲/打结形变）。实验证实：在3%-10%应变范围内，传感器呈现显著的电阻响应与信号增强；经历20次加载循环仍保持稳定输出；不同拉伸速率下响应明显且频率可调。人体运动测试中，该传感器精准捕捉不同关节弯曲的动态信号。

  方志强聚焦微纳米纤维素薄膜设计与开发，并探索其在柔性电子、光学器件、能源存储和环境治理等领域的应用。相关的成果发表于Advanced Materials、Matter、ACS Nano、Small、Materials Horizons、Carbohydrate Polymers、Chemical Engineering Journal、Composites Part B: Engineering等期刊。

  王静禹主要从事木质素的高值化利用和相关基础研究。研究方向包括基于原子力显微镜力谱的分子间作用力研究、木质素溶液组装行为及超分子结构精确调控、有序木质素基结构色材料的设计与制备等，相关工作在ACS Nano等国际权威SCI期刊发表。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c02817