纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，存在于树木、农作物废弃物和其他生物质中。纤维素构成的纤维，可以分解成被称为纤化纤维素的构件，它们的尺寸不同，可以控制，且可以延伸到纳米尺度。纤化纤维素是从可再生资源中获取的，因此其可持续性的潜力与其他功能特性(例如机械、光学、热和流体)相结合，赋予了这种纳米材料独特的技术吸引力。
近日，来自美国马里兰大学的胡良兵等研究者，阐述了原纤化纤维素在从复合材料和巨纤维，到薄膜、多孔膜和凝胶等材料制造中的应用。相关论文以题为“Developing fibrillated cellulose as a sustainable technological material”发表在Nature上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03167-7
退出化石燃料时代，迈向可持续发展的未来，需要高性能的可再生材料，且碳排放低，甚至为零。纤维素，有希望成为地球上最丰富的可再生生物聚合物，它作为一种结构成分，存在于植物和某些藻类的细胞壁中，也存在于细菌分泌的生物膜中(图1a)。除了作为一种潜在的可持续材料的优势外，纤维素还可以通过其独特的多维结构，实现多种功能和变革性应用。纤化纤维，可以被分离成直径逐渐减小的纤维(从小于100µm到大约2-4 nm)，最终由有序的线性纤维素分子链组成(图1b)。由于这种分层结构，原纤化纤维素在其形态和纤维大小方面具有实质性的可调性，使其独特的机械、光学、热、流体和离子特性成为可能，远远超过了母体纤维素纤维。
图1 纤化纤维素概述。
在这里，研究者探索了纤维化的潜力，特别是作为当前技术材料的可持续和实用替代品。为清楚起见，研究者使用“原纤化纤维素”一词来描述已被分解成更小原纤的纤维素纤维。在文献中，纳米级版本也被称为纳米原纤化纤维素、纤维素纳米纤维和纳米纤维素。木材通过各种自上而下的方法进行改造，利用细胞壁内的纤维素纤维生产结构，如超强木材、透明木材和冷却木材，用于轻型和节能建筑应用。然而，这种工程木材，不涉及将细胞壁或纤维素纤维分解成更小的、独立的原纤维，使其成为一个单独的材料类别。
纤维化纤维素具有吸引人的、可调的特性和生物相容性，表明了实际应用和商业化的潜力。此外，纤化纤维素比金属和石油基纳米材料便宜得多，而且可以进行工业规模生产，这提供了额外的经济优势。纤维化纤维素的加速使用，有望促进从石油产品向生物基产品的转变，以支持更可持续的循环经济(图1 c)。
随着对这种分层结构的基本理解和控制的改善，研究者预计纤化纤维素，能够形成经济上可行的、可持续的解决方案的基础，在高性能结构材料和生物可降解技术方面的一系列短期应用，以及在光电子学、生物工程和膜科学方面的长期应用(图1d)。
从以上个角度出发，研究者在这里讨论了原纤化纤维素在各种实际应用中的潜力、进展和挑战，包括多尺度纤维、生物塑料、纳米纸、多孔膜和软凝胶等。与此同时，研究者讨论了这些结构的实际开发的研究方向，以及在原纤化纤维素材料，能够充分发挥其潜力之前，需要克服的挑战。最后，研究者强调了一些关键问题，以成功制造扩大这类材料。
图2 纤化纤维素作为一种轻质结构材料。
图3 用于长期技术的纤维化纤维素。
图4 研究和工业化机会。
综上所述，研究者相信，在未来大量可持续的原纤化纤维素将得以采用，为解决社会对低成本、高性能材料和最小环境影响的需求，提供一系列令人兴奋的解决方案。纤维结构的物理和化学可调性，与纤维的经济和环境效益相结合，使原纤化纤维素在低维材料中具有很强的竞争力。在工业加工的进步和基本认识的辅助下，研究者预计，作为领先的低维材料之一，原纤化纤维素将有丰富的机会，以可持续的方式解决全球水、能源和环境挑战的先进解决方案。（文：水生）
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