中国科学院大连化学物理研究所卿光焱研究员与武汉纺织大学张福生副教授合作，受蜘蛛丝纳米晶区结构启发，为纤维素光子水凝胶设计了一套五阶段拉伸-弛豫处理策略。经过五次“拉伸至原长三倍、静置8分钟、再卸载”的循环，原本不透明的水凝胶，最终变得高度透明、力学性能显著提升，甚至能够承受汽车碾压。

  提起蜘蛛，很多人会想到那张看似纤细却异常坚韧的蛛网。蜘蛛丝之所以兼具高强度与高韧性，关键在于其内部刚性β?折叠纳米晶区与柔软蛋白质基体之间的精妙协同。长期以来，科学家一直希望在水凝胶中复制这种“刚柔并济”的结构特征，但往往面临一个难题：材料一旦追求高强度，透明性就会下降；而一旦保持透明，力学性能又难以满足需求。

图 1. 仿生设计具有均匀分布和高度取向的纳米晶域的坚韧透明水凝胶

  近日，卿光焱研究员与张福生副教授团队合作提出了一种动态五阶段拉伸-静置（FSSP）训练策略，为解决这一矛盾提供了新思路。与传统需要多轮反复拉伸、但难以兼顾结构均匀性的机械训练方法不同，这项工作更强调对拉伸位置、时间节奏和应力释放过程的协同控制，目的是让水凝胶内部的刚性纳米晶体实现同步、均匀、可控的取向（图1）。

  2026年6月12日，相关研究以Architecting bioinspired nanocrystalline domains for ultimate robust and transparent cellulose photonic hydrogels发表在《Science Advances》上。文章的共同通讯作者为卿光焱研究员、张福生副教授，文章的第一作者为李琼雅博士。

  研究主角是纤维素纳米晶体（CNC）。这种来源于天然植物的纳米材料结晶度高、刚性强，可视为植物细胞壁中的天然“纳米钢筋”。然而，CNC并不是柔软的高分子链，连续拉伸时虽然会快速取向，却容易出现局部先排列、局部滞后的不均匀状态，进而诱发结构缺陷和光散射，导致材料发白、浑浊甚至开裂。

图 2. FSSP处理工艺及其对水凝胶的机械和光学性能的影响

  为此，研究团队设计了更加精细的分步拉伸策略。就像运动员在做极限拉伸时，需要在每组训练之间给肌肉充足的休息时间，从而使肌肉纤维生长得更加均匀有力。在实验中，水凝胶被固定于力学测试装置上，以恒定速度拉伸至200%应变，即长度变为原来的三倍，随后保持8分钟，使内部网络充分松弛并完成结构重排（图2）；之后卸载恢复原状，并重新调整样品位置，使水凝胶中心区域回到夹具的初始拉伸位置，再进入下一轮循环。如此往复五次，最终实现了应力释放、结构重排与取向同步的协同调控。

  经过这一“类似瑜伽的锻炼”，水凝胶内部结构从原本松散、多孔的网络，逐渐演变为直径约100–500 nm的定向纳米纤维束，纳米晶区排列也更加整齐有序（图3）。X射线衍射结果显示，纤维素纳米晶的取向有序度高达0.91，接近理想取向状态。正是这种高度均匀的晶区分布，使材料在透明性和力学性能上实现了同步突破。

图 3. FSSP 处理过程中水凝胶的微观结构演变

  在力学性能方面，Step 5水凝胶的拉伸强度达到61.6 MPa，韧性高达251.8 MJ·m^–3，甚至超过了天然蛛丝约150 MJ·m^–3的韧性水平。与此同时，材料的透光率也提升至91.2%，实现了接近玻璃般的透明效果（图4）。

图 4. 水凝胶的力学和光学性能对比分析

图5. Step-5水凝胶在安全应用中的显示和加密功能

  更值得关注的是，FSSP处理还赋予了水凝胶优异的光学各向异性和信息显示潜力。在正交偏振光条件下，材料可在透明与不透明之间呈现出明显变化，用于隐藏图像或信息加密显示。即便经过折叠、揉搓，甚至汽车碾压，材料仍能保持结构完整（图5），光学性能也基本不受影响。

  研究团队表示，这项工作并不是提出一个简单的“暂停拉伸”技巧，而是建立了一套面向天然刚性纳米晶水凝胶的力学训练方法。其关键在于控制取向发生的空间位置、时间节奏和应力释放路径（图6），从而将一个容易产生缺陷的增强过程，转化为可均匀放大的结构演化过程。

图 6. FSSP处理过程中水凝胶的分子和微观结构演变

  这项成果也为软物质光子学、可穿戴电子、柔性显示、安全加密标签以及软体机器人等领域提供了新的材料基础。未来，这类兼具高透明度、高强度和高韧性的新型水凝胶，有望在柔性光学器件和智能伪装系统中发挥重要作用。

  论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed8263

通讯作者简介

  卿光焱，中国科学院大连化学物理研究所生物技术部研究员，国家优秀青年科学基金获得者（结题评定为优秀）。长期致力于智能聚合物、生物界面、纳米孔传感及智能分离材料等前沿领域的研究工作。主持多项国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金项目、中国科学院先导专项B类课题等，以通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. Adv., Nat. Commun., Acc. Chem. Res.等国际知名期刊上发表学术论文150多篇。

  张福生，中国科学院大连化学物理研究所博士毕业、现任武汉纺织大学副教授，入选湖北省楚天英才计划（2025年）。研究聚焦于纳米纤维素自组装及其手性功能化领域，主持国家自然科学青年基金项目。在Accounts of Materials Research、Advanced Materials、Materials Today、Advanced Functional Materials和ACS Nano等国际权威期刊上以第一作者或通讯作者发表学术论文19篇。https://orcid.org/0000-0002-4403-7425