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Nat. Commun. | 安徽农业大学&浙江大学 | 纤维素纤维韧性提升4倍,仿生设计媲美蛛丝

  • 2026-10-20 14:15:24
Nat. Commun. | 安徽农业大学&浙江大学 | 纤维素纤维韧性提升4倍,仿生设计媲美蛛丝

纤维素纤维韧性提升4倍,仿生设计媲美蛛丝

你有没有想过,衣服、汽车甚至飞机的材料,未来可能来自一棵树?

纤维素是地球上最丰富的天然高分子,从棉花到木材都富含它。科学家早就知道,用纤维素可以纺出高强度的纤维——但有个致命短板:太脆,一拉就断。传统再生纤维素纤维的韧性通常低于50 MJ·m⁻³,远不如合成纤维,更别说和“材料界天花板”蜘蛛丝(韧性可达350 MJ·m⁻³)相比了。

现在,这一瓶颈被打破了!浙江大学朱书泽研究员与安徽农业大学叶冬冬教授团队合作,在《自然·通讯》(Nature Communications)发表了一项突破性研究:他们受樱桃树皮微观螺旋结构启发,通过一种可放大的微流控纺丝技术,成功制备出兼具高强度与高韧性的再生纤维素纤维——韧性高达184 MJ·m⁻³,是普通纤维素纤维的4倍以上,性能直逼天然蛛丝!


🌿 大自然的启示:树皮为何不易裂?

研究团队首先观察了两种树皮:白蜡树和樱桃树。 白蜡树皮的纤维呈单向排列,像整齐捆扎的筷子;而樱桃树皮内部却藏着二维螺旋弹簧般的纳米结构——纤维不仅沿轴向排列,还在圆周方向形成缠绕。

力学测试显示:樱桃树皮的断裂伸长率高达73.9%,是白蜡树皮的5倍;韧性更是提升了5倍多,同时保持相近的强度。这说明:多向取向的纳米结构,能让材料在受力时“以柔克刚”——应力被分散,裂纹难以扩展。

“这给了我们关键灵感:不是一味追求‘硬’,而是设计能‘耗能’的结构。”团队成员解释道。


🔬 人造“樱桃树皮”:微流控纺丝如何实现双轴取向?

要复制这种精妙结构,传统湿法纺丝无能为力——它只能做出单向排列的纤维。 研究团队开发了一套定制化微流控纺丝系统(图1d),其核心在于三重流体协同控制:

  1. 中心通道
    注入改性纤维素溶液(低温可纺);
  1. 第一层鞘流
    为良溶剂(LiOH/尿素水溶液),通过斜向冲击,在纤维表面制造剪切与稀释效应,使表层分子转向圆周方向排列;
  1. 第二层鞘流
    为凝固液(植酸溶液),迅速锁定这种“轴向+周向”的双轴取向结构。

图1:(a-b)白蜡树与樱桃树皮结构差异;(d)微流控纺丝装置;(g-h)仿生纤维表面与截面的双轴纳米结构;(i)韧性性能对比

结果令人惊叹:新纤维拉伸强度达553 MPa(接近钢铁的1/3),断裂伸长率高达41%——这意味着它能被拉长近一半而不破!两者结合,韧性飙升至184 MJ·m⁻³,远超商业粘胶纤维、Lyocell纤维,甚至优于多数工程塑料。


💡 从单丝到织物:性能可规模化放大

更关键的是,这种性能提升不止于实验室单根纤维。 研究团队将仿生纤维织成布料后测试发现:织物同样展现出优异的抗撕裂性和能量吸收能力。这意味着该技术具备工业化潜力,可直接用于:

  • 可持续纺织品
    替代石油基化纤,减少碳排放;
  • 轻量化汽车部件
    如内饰板、缓冲结构;
  • 航空航天复合材料
    在保证强度的同时提升抗冲击性。

🌍 为什么这项研究意义重大?

当前,全球每年消耗超7000万吨合成纤维,大多源自不可再生石油,且难降解。而纤维素来自植物,可再生、可生物降解、碳足迹极低。但过去因其“脆”,难以替代工程材料。

如今,通过仿生结构设计+先进纺丝工艺,纤维素终于兼具“强”与“韧”。这不仅推动了生物基材料的高性能化,也为可持续制造开辟了新路径。

未来,或许你的运动服、汽车座椅甚至无人机机翼,都将由这种“植物蛛丝”制成——既环保,又强悍。


这项研究让你对“绿色材料”有了新想象吗?你希望哪些日常用品率先用上这种仿生纤维? 欢迎留言讨论!

📚 参考文献

Xiaotong Fu, Xizhe Zhang, Tingting Yang, Yi Zhang, Chenlu Jiao, Shuze Zhu, et al. Bioinspired nano-architecture for cellulose fibers with spider silk–like toughness. Nat. Commun., 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-74052-6.

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#仿生材料 #纤维素纤维 #可持续材料 #微流控纺丝 #高性能纤维

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