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  近年來，納米纖維素基多孔氣凝膠/海綿因其兼具了傳統多孔材料低密度、高孔隙率和纖維素自身高表面活性、生物相容性等優勢，已經在吸附、隔熱、儲能和生物醫學等領域展現出廣闊的應用前景。然而，目前的納米纖維素多孔材料大多呈各向同性，其孔洞結構的無序性無法實現對電、熱、磁等的快速定向傳送。同時其較長的傳輸途經也降低了材料的應用性能。

  天然木材，作為納米纖維素的主要來源，具有獨特的各向異性層級多孔結構，在樹木的生長方向形成了眾多低曲率的通道，可以用作水分和養料的快速傳遞路徑。因此，受木材各向異性結構的啟發，南京林業大學蔣少華教授團隊在前期的工作中采用定向冷凍干燥技術驗證了其構筑納米纖維素氣凝膠各向異性結構的可能(圖1; Cellulose 2019, 26 (11), 6653-6667)。

圖1 (a)超輕納米纖維素氣凝膠；該氣凝膠在(b)非定向方向和(c)定向方向上的形貌結構；(d)氣凝膠定向方向上優異的抗壓性能。

  在此基礎上，該課題組近日從木材中提取納米纖維素，引入具有高長徑比和優異電學性能的銀納米線，制備出納米纖維素/銀納米線復合多孔海綿。并通過調控其有序結構，重新賦予復合海綿可控的木材各向異性本源屬性，“取之自然再回歸自然”。該研究通過TEMPO選擇性氧化納米纖維素，利用帶負電荷羧基的靜電斥力作用，使得銀納米線可以高度分散。此外，所制得的復合納米紙具有優異的導電性和柔性(圖2; Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2020, 135, 105960)。

圖2 (a)均勻的納米纖維素/銀納米線混合分散液；(b)納米纖維素/銀納米線復合納米紙優異的導電性和柔性展示。

  利用納米纖維素和銀納米線之間的協同效應，一方面，納米纖維素和取向結構的引入可以助于銀納米線在復合體系中的分散，有效維持海綿基體結構的穩定(圖3)；另一方面，銀納米線的加入實現了多孔海綿在電學性能上的各向異性，也在一定程度上增加了其力學性能(圖4)。

圖3 (a)納米纖維素海綿；(b)銀納米線海綿；(c)各向異性的納米纖維素/銀納米線復合多孔海綿，及其(d)非定向方向和(e)定向方向上的形貌結構。

圖4 (a)納米纖維素/銀納米線復合多孔海綿在電學性能上的各向異性(左：非定向方向，右：定向方向)；(b)復合多孔海綿的特性比較(d：定向冷凍，n: 非定向常規冷凍)。

  優異的電學性能使得復合海綿對電磁波具有優異的屏蔽吸收作用。隨著銀納米線含量的增加，海綿以吸收為主的電磁屏蔽效能(EMI SE)逐漸增大，達到80 dB以上(圖5a)。性能優異的原因，主要來自于高電荷密度的銀納米線和海綿多孔結構之間的組裝能夠進行高效地微波吸收和能量耗散。而當銀納米線的添加量為0.3 vol%時，非定向上無序的復雜路徑阻礙了電磁波的傳播進而促進內部吸收，EMI SE高于商用需求(20 dB)；而定向方向上規整有序的孔道結構因難以有效阻隔電磁波而屏蔽效能較差，從而實現了電磁屏蔽性能上的各向異性(圖5b-c)。進一步地，該課題組還模擬了一個實際應用場景，結果表明各向異性的復合海綿能夠實現對手機電磁波信號的選擇性屏蔽干擾(圖5d-e)。這種有趣的現象可以為探索納米纖維素多孔材料在電磁屏蔽領域的功能應用提供新的思路。

圖5 (a)不同銀納米線含量的復合多孔海綿在不同方向上的電磁屏蔽性能(實心：非定向方向，空心：定向方向)；(b，c)0.3 vol%銀納米線的復合多孔海綿在不同方向上的電磁屏蔽性能；(d，e)復合多孔海綿的電磁屏蔽應用。

  此外，作者還對該納米纖維素/銀納米線復合多孔海綿在各向異性的電致發熱、壓力稱重傳感等方面進行了多功能的探索，以期推動納米纖維素多孔材料多功能性應用的進一步發展(圖6)。

圖6 納米纖維素多孔海綿的多功能性。

  該工作由南京林業大學、美國麻省理工學院和德國拜羅伊特大學共同合作完成，近期以“Wood-inspired Anisotropic Cellulose Nanofibril Composite Sponges for Multifunctional Applications”為題，發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》雜志上。論文第一作者為南京林業大學博士生陳一鳴，共同一作為麻省理工學院張麟博士，通訊作者為南京林業大學蔣少華教授，共同通訊作者分別為南京林業大學段改改副教授和德國拜羅伊特大學Andreas Greiner教授。

原文鏈接：

  1. Anisotropic nanocellulose aerogels with ordered structures fabricated by directional freeze-drying for fast liquid transport, Cellulose 2019, 26 (11), 6653-6667

https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-019-02557-z

  2. Ultra-thin and Highly Flexible Cellulose Nanofiber/Silver Nanowire Conductive Paper for Effective Electromagnetic Interference Shielding, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2020, 135, 105960

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X20301998

  3. Wood-inspired Anisotropic Cellulose Nanofibril Composite Sponges for Multifunctional Applications, ACS Applied Materials & Interfaces, online

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c10645