功能纖維在社會(huì)中無處不在，應(yīng)用于紡織品、建筑領(lǐng)域、溶液凈化和儲(chǔ)能/轉(zhuǎn)換等。其中，具有高力學(xué)強(qiáng)度的多功能纖維，使得智能紡織品、機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)的先進(jìn)應(yīng)用成為可能?；诖?，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授和李騰教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種省時(shí)和低成本的一步脫膠策略，以公斤為單位，從快速生長且豐富的天然草中制造力學(xué)強(qiáng)度高、硬度高、對(duì)濕度敏感的智能纖維素纖維。需注意，通過木質(zhì)素和半纖維素基質(zhì)粘合在一起，形成天然草的整體結(jié)構(gòu)。在一步脫膠過程中，木質(zhì)素和半纖維素被化學(xué)去除，使得細(xì)管和實(shí)質(zhì)細(xì)胞的有效分離，從而從天然草中收獲纖維素纖維。所得到的纖維素纖維在微觀和納米尺度上都表現(xiàn)出由完整的單向纖維素原纖維組成的致密形態(tài)，與天然草的多孔和非均質(zhì)結(jié)構(gòu)明顯不同。

具有密集排列和單向的纖維結(jié)構(gòu)的纖維，具有很強(qiáng)的纖維間相互作用（氫鍵和范德華力），使得纖維素纖維的抗拉強(qiáng)度高達(dá)~0.9 GPa，楊氏模量高達(dá)72 GPa，分別是原始草的13倍和14倍。此外，受天然植物可拉伸卷須的啟發(fā)，作者通過將纖維素纖維編程成精確設(shè)計(jì)的彈簧狀結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種濕度響應(yīng)智能執(zhí)行器。這種基于纖維素纖維的智能彈簧式執(zhí)行器可以通過控制外部環(huán)境濕度可逆地提升和釋放負(fù)載（100倍于自身重量）。這些穩(wěn)固而智能的纖維素纖維可以以極低的成本可持續(xù)地制造，并且是完全可生物降解的，與一些商業(yè)聚合物和金屬基纖維相比，在軟機(jī)器人、響應(yīng)紡織品和能源發(fā)電等有前途的領(lǐng)域具有環(huán)境和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

圖1.強(qiáng)韌且智能的纖維素纖維

相關(guān)工作以《Kilogram-scale production of strong and smart cellulosic fibers featuring unidirectional fibril alignment》為題發(fā)表在最新一期《National Science Review》上。

通過去除分離的細(xì)管和實(shí)質(zhì)細(xì)胞，可以從天然草中收獲剩余的豐富的纖維素纖維。對(duì)比天然草，所得纖維素纖維的纖維素含量較高，為85%，半纖維素（7.2%）和木質(zhì)素（2.3%）含量較低。所制備纖維素纖維可以長達(dá)~1 m，其結(jié)構(gòu)致密，由規(guī)則堆疊和緊密結(jié)合的纖維素微纖維組成。在更精細(xì)的尺度上，作者發(fā)現(xiàn)許多平行于纖維軸方向排列的納米原纖維構(gòu)成了微原纖維。此外，所得到的纖維素纖維具有高達(dá)1.31 g cm^-3的密度，比天然草高3.7倍，甚至接近納米纖維素的密度（1.5 g cm^-3）。同時(shí)，脫膠處理不會(huì)改變草纖維素I的晶體結(jié)構(gòu)。

圖2.纖維素纖維的合成和結(jié)構(gòu)表征

拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示，纖維素纖維比天然草具有更高的最大拉力和相似的斷裂伸長率。其中，纖維素纖維的平均抗拉強(qiáng)度高達(dá)0.9 GPa，楊氏模量高達(dá)72 GPa，分別是初始天然草的13倍和14倍。同時(shí)，纖維素纖維在微觀和納米尺度上的緊密堆疊和互鎖，加強(qiáng)了界面鍵合（范德華力和氫鍵等）。此外，致密且單向的原纖維可以有效地傳遞和分散應(yīng)力，從而使纖維素纖維具有超強(qiáng)的機(jī)械性能。值得注意的是，纖維素纖維同時(shí)具有高比強(qiáng)度和比模量的顯著優(yōu)勢，遠(yuǎn)高于先前報(bào)道的纖維基材料。

圖3.纖維素纖維的力學(xué)性能

作者簡單地將潮濕的纖維素纖維纏繞在金屬棒上，然后干燥以去除水分。將其從金屬棒中釋放出來后，纖維素纖維保持彈簧形態(tài)，可以承受較大的伸長。通過設(shè)計(jì)水化和脫水程序，可通過調(diào)節(jié)纖維彈簧的剛度來精確控制纖維彈簧的位移。當(dāng)纖維素纖維彈簧在其線彈性極限內(nèi)增加一定的載荷時(shí)，根據(jù)胡克定律，纖維素纖維彈簧伸長到一定位置達(dá)到力平衡。在水化過程中，纖維素纖維的剛度隨著濕度的變化而降低，導(dǎo)致彈簧進(jìn)一步拉長以適應(yīng)現(xiàn)有的負(fù)載并再次達(dá)到力平衡。在脫水過程中，纖維素纖維彈簧的剛度恢復(fù)到其原始值，從而降低其伸長率，并回到初始平衡位置。

值得注意的是，當(dāng)拉伸至纖維彈簧執(zhí)行器的最大標(biāo)稱應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，纖維素纖維中的最大主應(yīng)變僅為0.259%，與其在干燥狀態(tài)下1.23%的破壞極限相距甚遠(yuǎn)。當(dāng)負(fù)載為纖維素纖維重量的100倍時(shí)，水化驅(qū)動(dòng)的釋放行為的響應(yīng)時(shí)間為45 s，脫水誘導(dǎo)的提升行為的響應(yīng)時(shí)間為5 s。纖維素纖維致動(dòng)器的水合/脫水釋放/提升行為的響應(yīng)時(shí)間差異可歸因于致動(dòng)器在50 °C下工作，有利于其脫水過程。在40%的工作濕度下，當(dāng)負(fù)載為纖維素纖維重量負(fù)載的10倍時(shí)，纖維素纖維驅(qū)動(dòng)器的最大標(biāo)稱應(yīng)變可達(dá)到75%。在100倍纖維素纖維重量的負(fù)載下，驅(qū)動(dòng)器輸出5.2 kJ m^-3的能量密度和35.7 J kg^-1的功容量。此外，纖維素纖維驅(qū)動(dòng)器可以制成不同的形狀，包括圓形和六角形結(jié)構(gòu)。

圖4.基于纖維素纖維的濕度響應(yīng)的智能彈簧驅(qū)動(dòng)器

Kilogram-scale production of strong and smart cellulosic fibers featuring unidirectional fibril alignment. National Science Review, 2024.