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大连化物所卿光焱团队《ACS Nano》：突破性“限域自组装”技术打造智能响应纤维素光子细丝

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-02-14 11:51

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中国科学院大连化学物理研究所卿光焱研究员团队 在学术期刊《 ACS Nano 》发表最新研究成果，通过创新性 “限域自组装”策略，成功开发出 刺激响应性纤维素纳米晶体（ CNC ）光子细丝 ，为智能材料领域注入新动能（ 图 1 ）。这一突破不仅克服了传统纤维素光子材料的应用瓶颈，更开辟了其在智能纺织、可穿戴传感等领域的全新应用场景。

图 1 纤维素光子纤丝概念图

从天然资源到智能材料：纤维素的光子革命

纤维素作为地球上最丰富的可再生生物质资源，在建筑、纺织等传统领域已应用数千年。近年来，随着纳米技术的突破，纤维素纳米晶体（ CNC ）凭借其独特手性光学特性和可降解性，成为光子材料研究的热点。然而，现有 CNC 光子材料多以薄膜形式存在，其脆性、低柔韧性和环境稳定性不足等问题，严重制约了其在智能纤维、可穿戴设备等前沿领域的应用。

“ 限域自组装 ” 策略：破解技术困局

针对这一挑战，研究团队提出“限域自组装”技术框架，通过三大核心创新实现跨越式突破（ 图 2 ）：

剪切力精准调控 ：利用剪切力驱动 CNC 在受限空间内定向排列，构建高度有序的 左旋手性向列结构 ；

2. 光化学动态交联 ：引入紫外光触发交联反应，在秒级时间内锁定纳米结构，确保细丝机械稳定性；

3. 连续湿法纺丝工艺 ：优化纺丝参数，实现长度超 30 米、直径 160 微米的光子细丝连续制备，突破规模化生产瓶颈。

图 2 “限域自组装”流程图

性能跃升：智能与强韧兼具

所得光子细丝展现出 多维卓越性能 ：

超强机械性能 ：拉伸强度达 37 MPa ，韧性 14 MJ∙m⁻³ ，超越多数合成聚合物纤维；
动态光学响应 ：对湿度、应力及视角变化呈现显著干涉色切换（光程差 >2500 nm ，双折射率 Δn=16.5×10⁻³ ），响应灵敏度较传统薄膜大幅度提升（ 视频 1 ）；
环境兼容性 ：在水环境及各种复杂溶剂中保持结构稳定，可通过标准纺织设备进行编织加工（ 视频 2 ）。

视频1

视频2

图 3 应用潜力展示

应用场景：从实验室到生活

该成果为智能材料领域带来 革命性应用前景 （图 3 ） ：

智能服装 ：集成光子细丝的人体织物可实时感知湿度变化，通过颜色变化预警健康状态；
自适应光学器件 ：开发视觉调节透光率的智能车窗或建筑幕墙，实现节能与隐私保护双重功能；
高端防伪标签 ：利用独特手性光学特征，打造无法复制的动态防伪标识。
可持续发展新范式 ：纤维素从 “ 被动材料 ” 向 “ 主动智能材料 ” 的转变，更通过全绿色工艺（水相加工、光固化零排放）践行了碳中和目标。

相关研究成果以“ Responsive Photonic Filaments from Confined Self-Assembly of Cellulose Nanocrystals ”为题发表于《 ACS NANO 》。该工作的第一作者是武汉纺织大学 张福生 博士，上述工作得到国家自然科学基金的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15863

作者简介：

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卿光焱研究员 ，中国科学院大连化学物理研究所，博士生导师。主要从事聚合物界面材料方面的研究工作，开发了一系列生物分子响应性聚合物材料、手性功能表面和面向翻译后修饰蛋白质组学的聚合物基富集材料与器件。以第一或通讯作者发表 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 , 总计发表 SCI 论文 1 65 篇，他引 3700 余次；申报国家发明专利 53 项，已获授权 28 项。主持国家自然科学基金面上项目四项，青年科学基金一项。以第二完成人获得了 2011 年湖北省自然科学一等奖， 2012 年 12 月被评选为湖北省楚天学者特聘教授， 2014 年 7 月获得湖北省杰出青年基金资助。 2018 年在中国科学院大连化学物理研究所，生物技术部成立生物分离分析与界面分子机制研究组，担任组长。 2018 年入选辽宁省 “兴辽英才计划” 创新领军人才， 2019 年获得国家基金委优秀青年科学基金资助（结题优秀）， 2020 年入选大连市杰出青年科技人才。

实验室网站：

www.biosep.dicp.ac.cn

张福生博士 ，毕业于中国科学院大连化学物理研究所， 2022 年 7 月加入武汉纺织大学化学与化工学院，致力于纳米纤维素自组装及手性功能化研究，重点开展圆偏振光 / 发光材料、结构生色材料及智能光子纤维等领域的研究工作。主持国家自然科学青年基金，以第一作者或通讯作者身份在 Advanced Materials 、 Materials Today 、 Advanced Functional Materials 、 ACS Nano 、 Materials Horizons 等期刊发表学术论文 14 篇。

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4403-7425

大连化物所卿光焱团队《ACS Nano》：突破性“限域自组装”技术打造智能响应纤维素光子细丝

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