安徽农业大学叶冬冬团队Nature Communications!!仿樱树皮结构造出堪比蛛丝的超强韧纤维素纤维

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纤维素是来源广泛、绿色可持续的生物质原料，依托分子链规整排列与紧密堆积的结构特点，传统纤维素纤维具备不错的拉伸强度，在纺织、日用材料等领域应用广泛。但这类纤维普遍存在韧性短板，常规产品韧性数值普遍低于 50 MJ m⁻³，脆性较强，难以适配航空航天、高端防护、特种织物等对材料综合力学性能要求严苛的场景。自然界中诸多生物结构为材料改良提供了思路，樱树皮拥有特殊的二维螺旋纳米构型，对比单取向结构的白蜡树皮，其断裂应变与韧性均实现数倍提升，展现出结构设计对力学性能的巨大优化潜力。在此背景下，科研人员尝试借鉴天然生物的层级结构，探索新型纤维制备技术，希望在保留纤维素原有优势的基础上，破解其韧性不足的行业难题，开发出兼具高强度与高韧性的新型纤维素纤维材料。

在这项研究中，研究人员参考樱树皮的螺旋纳米结构，联合打造出一套仿生纳米取向制备方案，借助可规模化应用的微流控纺丝技术，成功研制出具备径向、轴向双取向结构的再生纤维素纤维。团队利用三相五通道微流控芯片完成纺丝，依靠不同通道流体的差异化作用，让纤维内部分子链沿轴向排布，表层分子链沿圆周方向取向，形成独特的二维网络结构。研究人员结合流体动力学仿真、原位拉曼成像、X 射线散射等多种表征手段，明确了双取向结构的形成原理，并通过分子动力学模拟解析材料强韧化机制。测试结果显示，该仿生纤维拉伸断裂应力达 553 MPa，拉伸断裂伸长率为 41%，整体韧性达到 184 MJ m⁻³，力学水平和天然蜘蛛丝处于同一层级，综合性能远超市面上多数纤维素纤维与合成聚合物纤维。

本次研究提出的仿生纳米取向工程，有效突破了传统纤维素纤维韧性不足的技术瓶颈，为高性能生物质纤维研发提供了全新路径。双取向的纳米结构能够重新分配拉伸过程中的应力，改变裂纹扩展方向，依靠分子链滑移耗散能量，从结构层面同时强化纤维的强度、延展性与韧性。该纤维可直接使用常规纺织设备编织成大面积织物，成品拥有出色的抗冲击能力与结构稳定性，经过多次水洗后性能依旧稳定，在防护面料、工业织物等领域具备实用价值。同时，这套微流控纺丝工艺兼容性较强，除纤维素外，还可应用于甲壳素、壳聚糖等其他生物聚合物。整体来看，该成果不仅深化了生物仿生结构在纤维材料领域的应用，也为纺织、汽车、航空航天等行业供给了轻质、环保且力学性能优异的新型结构材料。