目前，納米纖維素（CNC）可以通過多種途徑進行取向，如外部電場或磁場、機械剪切、干/濕紡絲或靜電紡絲等。然而，這些技術通常僅限于制備1D/2D結構（纖維或薄膜）。雖然已經證明了3D/4D打印可以獲得兼具復雜結構和有序CNC的潛力，但這種具有復雜結構的三維結構通常具有非連續表面，尤其是在垂直方向上。此外，這些技術中的許多參數會影響CNC在三維成型結構中的排列，例如ink的固有流變性/粘度、剪切速率、噴嘴幾何形狀和凝固劑的選擇。另一個關鍵問題是結構體的力學性能，在含有CNC的三維復合材料中，有序排列的CNC如何發揮作用？是否還有其他影響因素？
圖1 含有CNC的類雙曲面3D結構的制備過程。
近日，德國哥廷根大學張凱教授課題組通過“拉伸-松弛-干燥”動態共價水凝膠的方式制備了具有類似雙曲面的中空三維復雜結構（圖1）。這種方法的特點是CNC在里面是有取向的，且曲面具有連續性：基于機械拉伸和空氣干燥過程，動態水凝膠中的CNC可以單軸排列；除了力學增強之外，還提供額外的光學雙折射現象（圖2）；所獲得的類雙曲面結構參數可由原始水凝膠的形態和機械拉伸的條件控制；類雙曲面結構的表面可以通過空氣干燥過程進一步優化，從而獲得光滑、連續和彎曲的表面。更為重要的是，研究發現這種3D形狀結構的機械性能不僅依賴于CNC的有序排列，而且與結構固有的幾何形狀有很大關系（圖3）。這些結果將為設計和制造具有固定形態、力學性能和功能的先進材料提供新的視角。
圖2 類雙曲面3D結構的光學性質。
圖3 類雙曲面3D結構的力學性能測試
課題組自2019年以來，通過“拉伸-松弛-干燥”動態共價水凝膠的方法，取得了一系列研究進展，使分散在動態共價水凝膠中的棒狀納米材料實現了有序排布，成功制備了多維度雙折射材料（ACS Nano 2019，13，3867-3874）。進一步通過模塊化設計實現了更廣闊、靈活的顏色調控方式，并成功將其用于光學防偽材料（Adv. Optical Mater. 2020，8，2000547），另外，課題組通過同時排布纖維素納米晶和金納米棒，集合了雙折射效應和表面等離子效應兩種特異性光學機制，從而實現了更廣的顏色調控（ACS Nano 2020, 14, 12, 16832–16839）。
本研究相關成果以“3D Hollow Xerogels with Ordered Cellulose Nanocrystals for Tailored Mechanical Properties”為題發表在近期的《Small》上。論文第一作者為Yang Yang、Heqin Huang博士，第二作者為Dan Xu博士研究生，通訊作者為德國哥廷根大學張凱教授。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202104702
