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安徽农业大学叶冬冬团队 Nat. Commun.:受樱树皮启发的纳米取向工程设计构筑具有类蛛丝韧性的纤维素纤维

2026-06-26 14:28:15

纤维素纤维通过分子链取向排列和致密堆叠展现出优异的拉伸断裂强度，但其韧性通常不高（低于50MJ m^-3）。受樱花树皮独特螺旋纳米结构的启发，安徽农业大学叶冬冬教授团队联合浙江大学朱书泽教授团队，提出了一种全新的仿生纳米取向策略，通过可扩展的微流控纺丝技术制备了具有双取向（径向与轴向）结构的再生纤维素纤维。结合实验表征与分子动力学模拟证明，该双轴纳米结构能有效重新分配应力并抑制裂纹扩展，在实现553 MPa拉伸断裂应力的同时，获得了高达41%的拉伸断裂伸长率。这种两种取向分子链的协同使得纤维韧性高达184 MJ m^-3，达到了与天然蜘蛛丝同等数量级的水平，超越了绝大多数已报道的纤维素纤维与合成聚合物纤维。

该研究以题为“Bioinspired nano-architecture for cellulose fibers with spider silk-like toughness”的论文发表在《Nature Communications》上。安徽农业大学博士后傅晓童为本文第一作者，安徽农业大学叶冬冬教授与浙江大学朱书泽教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金及浙江省自然科学基金等项目的支持。

【受天然樱树皮启发：双取向纤维素纤维的构筑】

自然界中的高强韧材料常通过复杂的层级结构构筑实现机械性能的优化。与具有单取向结构的白蜡树皮相比，樱树皮展现出独特的二维螺旋弹簧结构，这使其断裂应变高出403%（达73.9%），韧性增加534%（达30.5 MJ m^-3）。受此启发，研究团队利用定制的三相五通道微流控芯片，设计了纳米取向纺丝策略。其中，中心通道引入预交联纤维素溶液，溶液流动促使纤维素分子链沿纤维轴向取向排列，良溶剂鞘流则通过稀释、剪切和湍流作用强烈扰动表面纤维素网络，使其沿圆周方向重新排列。最终，凝固浴诱发溶胶-凝胶转变，固定二维双取向网络结构。与分子链单取向排列的传统湿纺纤维不同，仿生纤维在表层和内部的纳米分子链相互垂直排列，再现了樱树皮的双取向构型。

图1. 仿生超韧纤维素纤维的微流控纺丝制备及性能优势

【纤维双取向结构的形成机制与微观特性】

结合流体动力学仿真（CFD）模拟与原位拉曼成像，本研究深度揭示了微通道内的流体动力学机制。良溶剂的斜向流入引发强烈的剪切与扰动，导致纤维素溶液表面的流速显著低于其内部流速。拉曼光谱进一步证实，这种稀释与扰动作用在纤维表面形成了相对松散、堆积密度较低的纤维素网络。多向流体动力学使得纤维表面生成了沿圆周取向的凸起纳米结构，并在环境条件下干燥后致密固化，与内部轴向网络共同构成了独特的双取向构型。此外，原子力显微镜（AFM-DMT）测试表明，受溶剂扰动稀释影响，纤维外层的弹性模量显著低于中心高取向区域。二维同步辐射小角X射线散射（SAXS）在赤道与子午线方向的特征衍射峰，也充分证实了仿生纤维内部基本微原纤维的近乎垂直的双向取向特性。

图2. 微通道内纤维素溶液流动行为及仿生纤维的结构表征

【纤维机械性能极限与强韧化机制揭示】

双取向工程突破了纤维素材料的韧性极限。对比测试显示，相比传统湿纺纤维，仿生纤维的断裂伸长率提升至41%，韧性达到184 MJ m^-3，同时拉伸断裂强度也提升至553 MPa。这主要得益于其独特的“Z”字形裂纹偏转机制，该双取向结构能有效改变裂纹扩展路径，降低对内部轴向结构的破坏，大幅提升了纤维的能量耗散潜力。分子动力学（MD）模拟深度解析了纤维的强韧化机理：在拉伸形变过程中，周向取向的表层链逐渐向拉伸轴重排，这不仅促进了向核心结构的高效载荷传递（提升强度），还引发了丰富的链间滑动。这种滑动主导的形变机制有效耗散了大量能量，显著延迟了断裂的发生。在综合力学表现上，该仿生纤维不仅碾压了Lyocell、竹纤维等多种纤维素基材，更是在强韧性上接近了自然界的力学标杆——蜘蛛丝。

图3. 仿生纤维的力学性能及其强韧化机制研究

【宏观织物力学性能：极佳的抗冲击与防护潜力】

凭借优异的力学性能，该仿生纤维可在商业织机上直接编织成大面积面料（仿生织物）（约15 cm × 90 cm），展现出极佳的规模化可编织性。在落锤冲击测试中，棉、莫代尔、粘胶等传统商用纤维素织物均表现出破坏时间极短（不足3秒）、刚性断裂及不可逆物理损伤等脆性特征。与之形成鲜明对比的是，仿生织物展现出长达5.5秒的冲击缓冲时间，以及长达12秒的变形适应阶段，未出现永久性形变或可见结构损伤。在加压诱发失效的极限条件下，其最大失效力达到607 N，断裂吸收能高达1.75 J，全面超越现有的商用面料。多次水洗后，织物依然保持极高的结构完整性。值得一提的是，该多轴向微流控纺丝策略具有高度通用性，可广泛推广至甲壳素、壳聚糖等其他生物聚合物材料。

图4. 仿生织物的制备及抗冲击性能评估

总结：该研究团队创新性地开发了一种受自然生物启发的纳米取向策略，通过微流控系统成功实现了双取向再生纤维素纤维的规模化连续制备。实验与理论计算共同证实，这种独特的表层圆周与内芯轴向组合的多维网络，在形变期间能够高效地重新分配并耗散应力。这赋予了纤维553 MPa的高拉伸强度、41%的超高延展性以及媲美天然蜘蛛丝的184 MJ m^-3极限韧性。由其编织成的宏观织物也完美延续了这种良好的韧性与抗冲击能力。该项研究不仅从机制上打破了纤维素纤维固有的脆性限制，更为纺织工业、汽车组件及航空航天等高需求领域，开发轻质、可持续且具备超高韧性的生态友好型结构材料提供了研究方向。