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  隨著全球對環境問題的持續關注，開發可再生、可降解且具備碳中和特性的替代材料，正成為材料科學發展的重要方向。作為地球上最豐富的天然高分子之一，纖維素因其綠色可持續、結構多樣、來源廣泛，長期服務于造紙、紡織等傳統產業。近年來，纖維素在能源存儲、生物醫療、食品包裝、化妝品與功能涂層等新興領域展現出巨大潛力。然而，傳統纖維素復合材料在性能調控和功能拓展方面仍面臨一定瓶頸，亟需更具創新性的策略賦予其更高的結構設計自由度與功能可編程性。

  近日，武漢大學陳朝吉教授團隊聯合英國布里斯托大學Stephen J. Eichhorn教授、日本東京大學Akira Isogai教授、美國農業部林產品實驗室朱俊勇研究員、西班牙巴斯克大學Erlantz Lizundia教授等學者，在《Nature Reviews Materials》期刊發表題為Cellulose nanocomposites by supramolecular chemistry engineering的綜述論文，第一作者為陳朝吉教授課題組博士后陳露和余樂副研究員，通訊作者為陳朝吉教授和Stephen J. Eichhorn教授。該文系統梳理了纖維素納米復合材料的多尺度超分子工程策略，涵蓋其構筑方法、加工路徑與結構調控機制，并進一步闡述了如何通過超分子相互作用調節材料的力學性能、離子傳導性、光學特性、熱導能力及環境降解性。文章最后探討了纖維素納米復合材料超分子策略在實現循環經濟與環境可持續發展目標中的重要作用，并指出該領域當前面臨的挑戰與未來研究方向，呼吁在綠色材料科學中加大對超分子化學工程的投入與關注。

圖1 纖維素的多級結構及其化學與酶法預處理。版權Springer Nature 2025。

  文章指出，超分子化學通過引入可逆、可調且具方向性的非共價相互作用（如氫鍵、靜電作用、金屬配位、疏水效應、主–客體識別和π–π堆疊等），為構建功能化纖維素納米復合材料開辟了全新路徑。這些相互作用不僅能夠在納米纖維素（cellulose nanomaterials, CNMs）與多種基體之間構建協同界面網絡，還能實現材料強韌性、自愈性、導電性與刺激響應等多重性能調控，賦予材料“組裝–解組裝”的動態響應能力。作者強調，未來材料設計需結合具體應用場景，靈活整合多類超分子策略，在功能性、環境穩定性、制造復雜度與成本控制之間取得平衡，推動纖維素材料向高性能與綠色可持續雙重目標邁進。

圖2 面向纖維素納米復合材料的超分子化學工程策略。版權Springer Nature 2025。

  在材料構筑方面，文章系統總結了多種基于超分子化學的先進加工策略，包括分子識別自組裝、液晶模板引導、逐層組裝、空間限域輔助、乳液模板以及無溶劑綠色制備等。這些方法以非共價相互作用為核心驅動機制，實現在納米尺度調控基礎上構建具備宏觀功能的復合結構，使材料具備優異的拉伸性、自修復性、結構色以及各向異性增強性能，廣泛適用于柔性電子、功能涂層、高強結構件等多個應用領域。

圖3 基于超分子組裝的纖維素納米復合材料構筑路徑。版權Springer Nature 2025。

  此外，文章深入探討了纖維素基復合材料在機械增強、光學響應、熱導調控、離子輸運與環境降解等方面的多重性能調控機制。例如，氫鍵與靜電相互作用可顯著提升材料的力學強度與韌性；手性CNCs可通過自組裝形成結構色薄膜或手性等離激元超結構；高導熱填料（如氮化硼、石墨）協同構建致密界面，可使復合材料導熱率超過10?W/m·K，用于高效輻射冷卻；通過金屬配位拓展鏈間間距，則可構建高效離子通道，使離子電導率達到10^-3 S/cm，具備發展固態電解質的潛力。同時，纖維素的天然可降解性，在非共價網絡的輔助下，實現了力學性能與生態友好性的協同統一，凸顯其作為高性能綠色材料的獨特優勢。

圖4 超分子策略賦能纖維素復合材料多性能調控與應用示例。版權Springer Nature 2025。

  盡管如此，文章也指出該領域從基礎研究走向實際應用仍面臨挑戰。實現結構均勻性、界面相容性與超分子網絡穩定性之間的平衡，是未來研究的關鍵。為此，作者建議加強分子級設計與宏觀制造的多尺度協同，結合原位表征、人工智能（AI）與多尺度建模，深入理解“結構–性能–功能”之間的關聯機制。同時，引入動態共價鍵策略可兼顧材料的可重復使用性與可降解性。在規模化制備層面，還需關注原料來源、成本控制與制備效率，探索農業廢棄物再利用與數字化制造等新路徑。

  作為一篇兼具系統性與前瞻性的高水平綜述，該論文為纖維素材料從“天然高分子”向“功能工程材料”的轉變描繪了清晰的研究圖譜，也為綠色材料科學的持續發展提供了有價值的討論。未來，隨著超分子化學工程技術的不斷進步與跨尺度協同機制的持續發展，纖維素納米復合材料有望在塑料替代、智能器件、生物醫療、食品、能源儲存轉化、環境治理與功能涂料等關鍵領域發揮更大作用，成為引領綠色材料變革的重要力量。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41578-025-00810-5

  課題組鏈接：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm

作者簡介

  陳朝吉，武漢大學資源與環境科學學院教授、博士生導師。2015年博士畢業于華中科技大學，2015-2021年分別于華中科技大學與馬里蘭大學帕克分校從事博士后研究，并于2021年5月入職武漢大學資環學院組建X-Biomass課題組。從事生物質材料（木材、竹材、纖維素、甲殼素等）的多尺度結構設計、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解決可持續發展面臨的材料-能源-環境挑戰。以第一/通訊作者（含同等貢獻）在Nature (2篇)、Science、Nature Reviews Materials (2篇)、Nature Sustainability (2篇)、Nature Communications (8篇)等國內外著名學術期刊上發表SCI論文100余篇，總引用36,000余次，H因子101。獲科睿唯安“全球高被引科學家”（2021-2024連續四年入選材料科學領域）、斯坦福大學“全球前2%高被引科學家”終身影響力榜單、麻省理工科技評論亞太區“35歲以下科技創新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中國化學會纖維素專業委員會青年學者獎”、“Advanced Science青年科學家創新獎”、“前沿材料青年科學家獎”、阿里巴巴達摩院“青橙優秀入圍獎”、“中國新銳科技人物卓越影響獎”、“R&D 100 Awards”、“武漢大學杰出青年”等榮譽。擔任The Innovation Materials學術編輯，The Innovation、Research、SusMat、Environmental Science & Ecotechnology、Green Carbon、Molecules等雜志編委/青年編委，以及中國化學會纖維素專業委員會委員。

  陳露，博士后，武漢大學資源與環境科學學院，主要從事生物質資源利用與環境水處理應用研究。入選2025年度中國博士后創新人才支持計劃，以第一作者（含同等貢獻）在Nature Reviews Materials、Nature Communications、The Innovation、Progress in Materials Science、ACS Nano等學術期刊上發表SCI論文8篇，論文總引800余次，H因子14。

  余樂，副研究員，武漢大學資源與環境科學學院，主要從事天然高分子基功能材料的設計合成以及極端環境儲能應用研究。以第一/通訊作者（含同等貢獻）在Nature Reviews Materials、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Nature Communications、Matter、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等學術期刊上發表SCI論文14篇（含ESI高被引論文4篇），論文總引2200余次，H因子23。