近年來,柔性功能材料在便攜式電子設(shè)備、醫(yī)療系統(tǒng)、通信與傳感系統(tǒng)、人機交互和仿生智能機器人等方面的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。因此,研究人員正致力于設(shè)計具有特定功能、便攜性、操作安全性和生物相容性的柔性材料。考慮到環(huán)境污染和未來石化資源的枯竭,從纖維素、木質(zhì)素、殼聚糖等可再生資源中開發(fā)低成本、綠色環(huán)保的柔性材料成為人們關(guān)注的焦點。其中,纖維素是地球上最豐富的可再生聚合物,具有產(chǎn)量豐富、無毒、可生物降解性和化學(xué)結(jié)構(gòu)可修飾等特點。納米纖維素作為纖維素的一種特殊形態(tài),不僅具有纖維素的上述優(yōu)點,而且還具有較高的機械強度、結(jié)構(gòu)柔韌性以及可調(diào)節(jié)的自組裝行為等特性,在構(gòu)建柔性功能材料方面具有獨特的優(yōu)勢:1)納米纖維素具有高的長徑比、優(yōu)越的力學(xué)性能和豐富的官能團,可以組裝成不同形態(tài)的柔性材料;2)表面官能團為化學(xué)修飾提供了多種可能性,進而為結(jié)構(gòu)單元之間的交聯(lián)提供更多的位點,有利于增強相互作用,提高機械強度;3)高的長徑比和比表面積為納米纖維素與其他構(gòu)建單元的復(fù)合提供了機會,從而有利于設(shè)計多種功能的柔性復(fù)合材料。
納米纖維素因其優(yōu)異的特性,可通過各種先進的技術(shù)開發(fā)出不同形態(tài)的柔性功能材料(圖3b和c)。系統(tǒng)地了解結(jié)構(gòu)、功能和性能之間的關(guān)聯(lián),對于優(yōu)化納米纖維素在柔性材料中的設(shè)計具有重要意義。為此,該綜述總結(jié)了納米纖維素柔性材料的結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用關(guān)系(圖3a):1)納米纖維素具有生物降解性和生物相容性,是開發(fā)可降解生物醫(yī)學(xué)、生物傳感器或食品包裝材料的理想前驅(qū)體;2)考慮到其優(yōu)異的力學(xué)性能,納米纖維素可以作為納米構(gòu)建單元用于開發(fā)高強度的自支撐材料,也可以作為增強劑/填料用于增強復(fù)合柔性材料的力學(xué)性能;3)納米纖維素具有較高的長徑比和豐富的分子內(nèi)和分子間氫鍵,可組裝成獨立的、具有互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的1D纖維、2D薄膜/紙和3D塊體材料,是儲能、電子、生物醫(yī)學(xué)工程、傳感器等領(lǐng)域柔性襯底的理想材料;4)納米纖維素表面具有豐富的羥基,易于通過特定的化學(xué)改性處理或與其他功能組分復(fù)合,通過合理設(shè)計納米纖維素柔性材料的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)復(fù)合材料中功能組分的比例、調(diào)整制備策略等,實現(xiàn)可控調(diào)節(jié)納米纖維素基柔性材料的理化性能,提高其應(yīng)用性能;5)納米纖維素具有尺度小、比表面積大、熱穩(wěn)定性好等特點,可用于制備具有可控多孔結(jié)構(gòu)的薄膜/紙,在電池隔膜或電子器件等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景;6)納米纖維素具有高的碳含量,是合成柔性碳材料的良好前驅(qū)體,通過進一步功能化,可用于物理傳感、儲能、吸附與凈化、阻火或電磁屏蔽等領(lǐng)域。
圖3 納米纖維素柔性材料的結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用關(guān)系和制備方法
圖4 納米纖維素柔性材料
隨后,該綜述對納米纖維素及其復(fù)合柔性材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用進行了系統(tǒng)的介紹,如電化學(xué)儲能(如超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池、鈉離子電池和金屬空氣電池)(圖10)、電子器件(如納米發(fā)電機、光伏器件)(圖11)、傳感(如物理和化學(xué)傳感)(圖12)、生物醫(yī)藥(如抗菌材料、傷口愈合和組織工程)隔熱(圖13)、阻燃、電磁屏蔽、光子材料等。
圖12 納米纖維素柔性材料在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用
圖13 納米纖維素柔性材料在隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用
雖然納米纖維素在柔性功能材料的設(shè)計與應(yīng)用方面已經(jīng)取得了很大的進展,但仍存在部分挑戰(zhàn)需要解決。首先,目前大規(guī)模獲得高質(zhì)量、物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)可控的納米纖維素仍然較為困難,限制了納米纖維素的工業(yè)化應(yīng)用。因此,應(yīng)致力于開發(fā)新的方法和加工設(shè)備,以可持續(xù)和高效的方式實現(xiàn)納米纖維素的大規(guī)模生產(chǎn)。此外,納米纖維素基柔性材料的制備策略(如冷凍干燥和濕法紡絲),存在耗時長或成本較高等問題,這可能會限制納米纖維素基材料的實際應(yīng)用。為此,需要開發(fā)更連續(xù)的、可大規(guī)模的制備技術(shù)。其次,表面和界面工程已被廣泛應(yīng)用于柔性材料的構(gòu)建,但表、界面工程對材料性能的影響尚未得到很好的揭示,因此需要開展基礎(chǔ)研究,為后續(xù)研究提供理論指導(dǎo)。第三,目前研究大多僅涉及納米纖維素基材料的某一功能化,其在集成系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用尚未得到很好的開發(fā)。因此,納米纖維素柔性材料在集成系統(tǒng)中的實際性能有待進一步研究,且需要開發(fā)具有多種功能的納米纖維素基材料,促進其在可穿戴設(shè)備、電子皮膚、健康監(jiān)測等領(lǐng)域的集成應(yīng)用。最后,雖然納米纖維素具有可生物降解性和生物相容性,但部分納米纖維素柔性復(fù)合材料是通過與不可生物降解的組分復(fù)合構(gòu)建的,這限制了其在生物醫(yī)學(xué)或生物傳感器方面的潛在應(yīng)用。為此,應(yīng)考慮采用更環(huán)保的材料(如聚乳酸、聚己內(nèi)酯或蛋白質(zhì))用于納米纖維素復(fù)合柔性材料的開發(fā)。
文章鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202214245
- 深圳技術(shù)大學(xué)史濟東等 Carbon:基于石墨烯-納米纖維素復(fù)合薄膜的自修復(fù)應(yīng)變/濕度雙模傳感器的設(shè)計及在可穿戴呼吸監(jiān)測的應(yīng)用 2025-05-28
- 華東師大張強研究員課題組《Small》:開發(fā)新型納米多孔沸石/納米纖維素復(fù)合氣凝膠止血材料 2025-04-21
- 中國海大田維乾/北林許鳳/青大張利鳴 ACS Nano: 強韌納米纖維素/MXene基離子 - 電子雙導(dǎo)水凝膠膜用于穩(wěn)定鋅負極 2025-04-02
- 港大徐立之教授課題組誠招博士生、博士后、碩士生及研助 - 仿生柔性材料、柔性生物醫(yī)學(xué)器件 2024-09-10
- 四川大學(xué)王浩倫《ACS AMI》:利用電卡效應(yīng)的迅速溫度變化驅(qū)動柔性材料的新策略 2023-06-10
- 濟南大學(xué)李陽教授和北理工沈國震教授《Adv. Mater.》:人工智能驅(qū)動的人體全皮膚仿生電子皮膚 - 從感知到認(rèn)知的觸覺傳感 2022-06-06