眾所周知，纖維素是一種自然儲存量豐富、機械性能優(yōu)良、可持續(xù)且廉價的材料。近年來，利用纖維素來設(shè)計具備優(yōu)異力學(xué)性能的功能材料取得了許多進展。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。基于此，美國馬里蘭大學(xué)李騰教授和浙江大學(xué)朱書澤教授等人總結(jié)了這個不斷發(fā)展的研究領(lǐng)域的最新進展。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)了最近的實驗技術(shù)進展，例如結(jié)構(gòu)修飾、均質(zhì)化、界面拓撲控制。這些方面的進展使纖維素有望在一系列新興的功能應(yīng)用中實現(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)在各種來源中的形狀和大小都不同，例如木材，細菌，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，因為它直接影響其機械性能。本節(jié)主要討論在木纖維，細菌纖維素納米纖維，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)計高性能纖維素材料
本節(jié)通過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)致強度和韌性這兩個通常相互排斥的特性同時增加。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，從而增強了界面能量的耗散，并因此帶來了出色的斷裂韌性。然后，對各種實驗方法（例如結(jié)構(gòu)改變和納米纖維排列）進行了綜述，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)將對纖維素力學(xué)的理解擴展到復(fù)合材料領(lǐng)域，并綜述各種適用的實驗方法。本節(jié)從界面調(diào)控開始，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）之間的氫鍵來增加界面處的結(jié)合力，從而開發(fā)出高性能的結(jié)構(gòu)材料。然后討論了拓撲調(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。
【總結(jié)】
這份綜述首先詳細描述了纖維素的來源和結(jié)構(gòu)特征。多尺度力學(xué)分析強調(diào)了界面氫鍵的關(guān)鍵作用，并提供了來自實驗和理論研究的詳細證據(jù)，以幫助解釋潛在的機理。隨后討論了“納米”級的分子工程技術(shù)，以便制造具有出色機械性能的新型材料。該報告還總結(jié)了基于纖維素的復(fù)合材料的不同力學(xué)設(shè)計策略，例如通過調(diào)整纖維素-聚合物基體相互作用進行界面工程，涉及纖維素凝膠中物理或化學(xué)交聯(lián)的拓撲工程以及通過濕紡、拉伸進行的結(jié)構(gòu)工程和基于扭曲的技術(shù)。
