成果简介
功能纤维在社会中无处不在，应用于纺织品、建筑领域、溶液净化和储能/转换等。其中，具有高力学强度的多功能纤维，使得智能纺织品、机器人和生物医学的先进应用成为可能。基于此，美国马里兰大学胡良兵教授和李腾教授（共同通讯作者）等人报道了一种省时和低成本的一步脱胶策略，以公斤为单位，从快速生长且丰富的天然草中制造力学强度高、硬度高、对湿度敏感的智能纤维素纤维。需注意，通过木质素和半纤维素基质粘合在一起，形成天然草的整体结构。在一步脱胶过程中，木质素和半纤维素被化学去除，使得细管和实质细胞的有效分离，从而从天然草中收获纤维素纤维。所得到的纤维素纤维在微观和纳米尺度上都表现出由完整的单向纤维素原纤维组成的致密形态，与天然草的多孔和非均质结构明显不同。
具有密集排列和单向的纤维结构的纤维，具有很强的纤维间相互作用（氢键和范德华力），使得纤维素纤维的抗拉强度高达~0.9 GPa，杨氏模量高达72 GPa，分别是原始草的13倍和14倍。此外，受天然植物可拉伸卷须的启发，作者通过将纤维素纤维编程成精确设计的弹簧状结构，开发了一种湿度响应智能执行器。这种基于纤维素纤维的智能弹簧式执行器可以通过控制外部环境湿度可逆地提升和释放负载（100倍于自身重量）。这些稳固而智能的纤维素纤维可以以极低的成本可持续地制造，并且是完全可生物降解的，与一些商业聚合物和金属基纤维相比，在软机器人、响应纺织品和能源发电等有前途的领域具有环境和经济优势。
图1.强韧且智能的纤维素纤维
相关工作以《Kilogram-scale production of strong and smart cellulosic fibers featuring unidirectional fibril alignment》为题发表在最新一期《National Science Review》上。
图文解读
通过去除分离的细管和实质细胞，可以从天然草中收获剩余的丰富的纤维素纤维。对比天然草，所得纤维素纤维的纤维素含量较高，为85%，半纤维素（7.2%）和木质素（2.3%）含量较低。所制备纤维素纤维可以长达~1 m，其结构致密，由规则堆叠和紧密结合的纤维素微纤维组成。在更精细的尺度上，作者发现许多平行于纤维轴方向排列的纳米原纤维构成了微原纤维。此外，所得到的纤维素纤维具有高达1.31 g cm-3的密度，比天然草高3.7倍，甚至接近纳米纤维素的密度（1.5 g cm-3）。同时，脱胶处理不会改变草纤维素I的晶体结构。
图2.纤维素纤维的合成和结构表征
拉伸试验的应力应变曲线显示，纤维素纤维比天然草具有更高的最大拉力和相似的断裂伸长率。其中，纤维素纤维的平均抗拉强度高达0.9 GPa，杨氏模量高达72 GPa，分别是初始天然草的13倍和14倍。同时，纤维素纤维在微观和纳米尺度上的紧密堆叠和互锁，加强了界面键合（范德华力和氢键等）。此外，致密且单向的原纤维可以有效地传递和分散应力，从而使纤维素纤维具有超强的机械性能。值得注意的是，纤维素纤维同时具有高比强度和比模量的显著优势，远高于先前报道的纤维基材料。
图3.纤维素纤维的力学性能
作者简单地将潮湿的纤维素纤维缠绕在金属棒上，然后干燥以去除水分。将其从金属棒中释放出来后，纤维素纤维保持弹簧形态，可以承受较大的伸长。通过设计水化和脱水程序，可通过调节纤维弹簧的刚度来精确控制纤维弹簧的位移。当纤维素纤维弹簧在其线弹性极限内增加一定的载荷时，根据胡克定律，纤维素纤维弹簧伸长到一定位置达到力平衡。在水化过程中，纤维素纤维的刚度随着湿度的变化而降低，导致弹簧进一步拉长以适应现有的负载并再次达到力平衡。在脱水过程中，纤维素纤维弹簧的刚度恢复到其原始值，从而降低其伸长率，并回到初始平衡位置。
值得注意的是，当拉伸至纤维弹簧执行器的最大标称应变为60%时，纤维素纤维中的最大主应变仅为0.259%，与其在干燥状态下1.23%的破坏极限相距甚远。当负载为纤维素纤维重量的100倍时，水化驱动的释放行为的响应时间为45 s，脱水诱导的提升行为的响应时间为5 s。纤维素纤维致动器的水合/脱水释放/提升行为的响应时间差异可归因于致动器在50 °C下工作，有利于其脱水过程。在40%的工作湿度下，当负载为纤维素纤维重量负载的10倍时，纤维素纤维驱动器的最大标称应变可达到75%。在100倍纤维素纤维重量的负载下，驱动器输出5.2 kJ m-3的能量密度和35.7 J kg-1的功容量。此外，纤维素纤维驱动器可以制成不同的形状，包括圆形和六角形结构。
图4.基于纤维素纤维的湿度响应的智能弹簧驱动器
文献信息
Kilogram-scale production of strong and smart cellulosic fibers featuring unidirectional fibril alignment. National Science Review, 2024.
