中國科學院大連化學物理研究所卿光焱研究員團隊在學術期刊《ACS Nano》發表最新研究成果，通過創新性“限域自組裝”策略，成功開發出刺激響應性纖維素納米晶體（CNC）光子細絲，為智能材料領域注入新動能（圖1）。這一突破不僅克服了傳統纖維素光子材料的應用瓶頸，更開辟了其在智能紡織、可穿戴傳感等領域的全新應用場景。
圖1 纖維素光子纖絲概念圖
從天然資源到智能材料：纖維素的光子革命
纖維素作為地球上最豐富的可再生生物質資源，在建筑、紡織等傳統領域已應用數千年。近年來，隨著納米技術的突破，纖維素納米晶體（CNC）憑借其獨特手性光學特性和可降解性，成為光子材料研究的熱點。然而，現有CNC光子材料多以薄膜形式存在，其脆性、低柔韌性和環境穩定性不足等問題，嚴重制約了其在智能纖維、可穿戴設備等前沿領域的應用。
“限域自組裝”策略：破解技術困局
針對這一挑戰，研究團隊提出“限域自組裝”技術框架，通過三大核心創新實現跨越式突破（圖2）：
1.剪切力精準調控：利用剪切力驅動CNC在受限空間內定向排列，構建高度有序的左旋手性向列結構；
2.光化學動態交聯：引入紫外光觸發交聯反應，在秒級時間內鎖定納米結構，確保細絲機械穩定性；
3.連續濕法紡絲工藝：優化紡絲參數，實現長度超30米、直徑160微米的光子細絲連續制備，突破規模化生產瓶頸。
性能躍升：智能與強韌兼具
- 超強機械性能：拉伸強度達37 MPa，韌性14 MJ?m?3，超越多數合成聚合物纖維；
- 動態光學響應：對濕度、應力及視角變化呈現顯著干涉色切換（光程差>2500 nm，雙折射率Δn=16.5×10?3），響應靈敏度較傳統薄膜大幅度提升（視頻1）；
- 環境兼容性：在水環境及各種復雜溶劑中保持結構穩定，可通過標準紡織設備進行編織加工（視頻2）。
應用場景：從實驗室到生活
- 智能服裝：集成光子細絲的人體織物可實時感知濕度變化，通過顏色變化預警健康狀態；
- 自適應光學器件：開發視覺調節透光率的智能車窗或建筑幕墻，實現節能與隱私保護雙重功能；
- 高端防偽標簽：利用獨特手性光學特征，打造無法復制的動態防偽標識。
- 可持續發展新范式：纖維素從“被動材料”向“主動智能材料”的轉變，更通過全綠色工藝（水相加工、光固化零排放）踐行了碳中和目標。
相關研究成果以“Responsive Photonic Filaments from Confined Self-Assembly of Cellulose Nanocrystals”為題發表于《ACS NANO》。該工作的第一作者是武漢紡織大學張福生博士，上述工作得到國家自然科學基金的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15863
作者簡介：
卿光焱研究員，中國科學院大連化學物理研究所，博士生導師。主要從事聚合物界面材料方面的研究工作，開發了一系列生物分子響應性聚合物材料、手性功能表面和面向翻譯后修飾蛋白質組學的聚合物基富集材料與器件。以第一或通訊作者發表Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc. (5篇), Adv. Mater. (6篇), Nat. Commun. (3篇), Angew. Chem. Int. Ed. (2篇), Sci. Adv., Mater. Today, Chem. Sci. (6篇), ACS Nano. (3篇), Adv. Funct. Mater. (2篇), Adv. Sci.等,總計發表SCI論文165篇，他引3700余次；申報國家發明專利53項，已獲授權28項。主持國家自然科學基金面上項目四項，青年科學基金一項。以第二完成人獲得了2011年湖北省自然科學一等獎，2012年12月被評選為湖北省楚天學者特聘教授，2014年7月獲得湖北省杰出青年基金資助。2018年在中國科學院大連化學物理研究所，生物技術部成立生物分離分析與界面分子機制研究組，擔任組長。2018年入選遼寧省“興遼英才計劃”創新領軍人才，2019年獲得國家基金委優秀青年科學基金資助（結題優秀），2020年入選大連市杰出青年科技人才。
實驗室網站：www.biosep.dicp.ac.cn
張福生博士，畢業于中國科學院大連化學物理研究所，2022年7月加入武漢紡織大學化學與化工學院，致力于納米纖維素自組裝及手性功能化研究，重點開展圓偏振光/發光材料、結構生色材料及智能光子纖維等領域的研究工作。主持國家自然科學青年基金，以第一作者或通訊作者身份在Advanced Materials、Materials Today、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Materials Horizons等期刊發表學術論文14篇。
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4403-7425
