仿生Bouligand结构具有变革性的潜力，可在从生物塑料和建筑到航空航天的尖端领域开发高性能纳米复合材料。尽管自组装策略衍生的结构具有一定的反应性，但所得结构的纤维间界面中受限的平衡稳健性和微运动限制了延展性。这种限制阻碍了它们在各个领域的实际应用，例如组织工程、智能可穿戴设备和程序化制造（图 1a）。因此，追求一种可以通过纳米纤维滑动或氢键重建利用具有多级活化界面的纤维组件的系统，对于推进结合多种增韧机制的仿生Bouligand结构材料构成了一个重大问题。纤维素纳米晶体（CNC）自组装成高度有序的Bouligand结构，表现出手性光子特性，可以根据结构-性质-功能关系进行调整。这些纳米晶单元通常被限制在几百纳米的尺寸内，因此其生物聚合物网络基质的空间排列可以通过氢键进行调节，为上述问题提供了实用的解决方案。
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图 1
近日，中国科学院大连化学物理研究所卿光焱研究员和武汉纺织大学张福生博士合作提出了一种自组装CNC的创新视角，作为开发具有适应性机械变色响应的坚韧和光子 Bouligand CNC水凝胶的结构模型。这种转变是通过重新定向纤维素纳米晶体CNC）/聚乙烯醇（PVA）光子基体的手性向列结构来实现的，从而产生沿x方向诱导排列的结构和拉伸的胆固醇形式（图 1b）。相关研究成果以“Highly robust cellulose photonic hydrogels with reconfigurability and mechanochromism”为题，于近日发表在Materials Today上。这些水凝胶表现出卓越的机械性能（超过950%的超高拉伸性和高达155.5 MJ∙m−3的韧性）。此外，这些光子水凝胶表现出动态变色能力，在红色和蓝色之间转变，波长偏移为427nm，并且在受到可逆拉伸时在很宽的范围内具有稳定的电灵敏度（图2）。重要的是，水凝胶的综合特性使其能够集成到微控制器中，以构建一个机械成像平台，其中光学和电学双信号报告性能可实现压力分布的视觉定位（图3）。这些进步预示着CNC全新的应用未来，为不同行业引入了创新和多功能的解决方案。此外，这种方法为制造坚固的光子水凝胶开辟了一条新途径，其智能光学响应有望扩大仿生光子纤维素材料在医疗、能源和工业领域的应用。![]()
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卿光焱和张福生团队在纳米纤维素的手性功能化研究中取得了一定进展，前期开发了多模式、可转换的手性光学防伪薄膜（Adv. Funct. Mater.，2022）、光子纤维素纳米晶的柔性汗液传感器（Small，2023），纤维素左手性圆偏振发光薄膜（Adv. Mater.,2024）以及协同变色和导电的纤维素纳米晶光子贴片（Mater. Horiz.，2024）。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.01.008
相关进展
中科院大连化物所卿光焱/武汉纺大张福生 Mater. Horiz. : 协同变色和导电的纤维素纳米晶光子贴片
中科院大连化物所卿光焱/施振强团队 ACS AMI: 广谱内毒素精准分离材料
大连化物所卿光焱研究员团队《Adv. Funct. Mater.》：多模式、可转换的手性光子防伪薄膜
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