眾所周知，纖維素是一種自然儲(chǔ)存量豐富、機(jī)械性能優(yōu)良、可持續(xù)且廉價(jià)的材料。近年來(lái)，利用纖維素來(lái)設(shè)計(jì)具備優(yōu)異力學(xué)性能的功能材料取得了許多進(jìn)展。在這些應(yīng)用中，理解纖維素的分子結(jié)構(gòu)與其力學(xué)性能的耦合至關(guān)重要?；诖耍绹?guó)馬里蘭大學(xué)李騰教授和浙江大學(xué)朱書(shū)澤教授等人總結(jié)了這個(gè)不斷發(fā)展的研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展。論文討論了纖維素的多尺度力學(xué)理解，包括氫鍵的關(guān)鍵作用，結(jié)構(gòu)界面對(duì)空間氫鍵密度的依賴性，納米纖維尺寸和取向?qū)嗔秧g性的影響。論文也總結(jié)了最近的實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)展，例如結(jié)構(gòu)修飾、均質(zhì)化、界面拓?fù)淇刂?。這些方面的進(jìn)展使纖維素有望在一系列新興的功能應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。
【內(nèi)容解讀】
1.纖維素的多樣化結(jié)構(gòu)
天然纖維素的結(jié)構(gòu)在各種來(lái)源中的形狀和大小都不同，例如木材，細(xì)菌，棉花，竹子，大麻，黃麻，藻類，被膜等。纖維素納米材料的結(jié)構(gòu)形式取決于加工技術(shù)。在所有這些多尺度材料中，纖維素的結(jié)構(gòu)方面極為重要，因?yàn)樗苯佑绊懫錂C(jī)械性能。本節(jié)主要討論在木纖維，細(xì)菌纖維素納米纖維，納米原纖化纖維素和微原纖化纖維素中發(fā)現(xiàn)的典型結(jié)構(gòu)形式。
- 圖1 纖維素的多樣化結(jié)構(gòu)
2.理解和設(shè)計(jì)高性能纖維素材料
本節(jié)通過(guò)基于分子模擬研究以及連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型討論了在拉伸變形下纖維素納米紙中氫鍵的作用，該作用導(dǎo)致強(qiáng)度和韌性這兩個(gè)通常相互排斥的特性同時(shí)增加。這些多尺度模型揭示了纖維素纖維直徑的減小和或纖維排列的增加將導(dǎo)致空間氫鍵密度的增加，從而增強(qiáng)了界面能量的耗散，并因此帶來(lái)了出色的斷裂韌性。然后，對(duì)各種實(shí)驗(yàn)方法（例如結(jié)構(gòu)改變和納米纖維排列）進(jìn)行了綜述，這些方法使這些多尺度力學(xué)技術(shù)能夠應(yīng)用于基于纖維素的高性能材料。
3.理解和設(shè)計(jì)高性能基于纖維素的復(fù)合材料
由于纖維素具有多種尺度的優(yōu)異力學(xué)性能，因此在實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)合功能材料方面也可以發(fā)揮積極作用。本節(jié)將對(duì)纖維素力學(xué)的理解擴(kuò)展到復(fù)合材料領(lǐng)域，并綜述各種適用的實(shí)驗(yàn)方法。本節(jié)從界面調(diào)控開(kāi)始，其中利用纖維素納米纖維和其他材料（例如石墨或氧化石墨烯）之間的氫鍵來(lái)增加界面處的結(jié)合力，從而開(kāi)發(fā)出高性能的結(jié)構(gòu)材料。然后討論了拓?fù)湔{(diào)控方法，包括物理或化學(xué)交聯(lián)，以及兩者的結(jié)合。最后，討論了結(jié)構(gòu)控制方法，例如通過(guò)拉伸，3D打印和螺旋大纖維的制造等加工方法在復(fù)合基質(zhì)內(nèi)排列纖維素納米纖維，從而提高纖維素復(fù)合材料的力學(xué)設(shè)計(jì)。
【總結(jié)】
這份綜述首先詳細(xì)描述了纖維素的來(lái)源和結(jié)構(gòu)特征。多尺度力學(xué)分析強(qiáng)調(diào)了界面氫鍵的關(guān)鍵作用，并提供了來(lái)自實(shí)驗(yàn)和理論研究的詳細(xì)證據(jù)，以幫助解釋潛在的機(jī)理。隨后討論了“納米”級(jí)的分子工程技術(shù)，以便制造具有出色機(jī)械性能的新型材料。該報(bào)告還總結(jié)了基于纖維素的復(fù)合材料的不同力學(xué)設(shè)計(jì)策略，例如通過(guò)調(diào)整纖維素-聚合物基體相互作用進(jìn)行界面工程，涉及纖維素凝膠中物理或化學(xué)交聯(lián)的拓?fù)涔こ桃约巴ㄟ^(guò)濕紡、拉伸進(jìn)行的結(jié)構(gòu)工程和基于扭曲的技術(shù)。
