中国科大吴恒安教授/俞书宏院士《ACS Nano》：在纳米纤维素的湿度界面力学研究中取得重要进展

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塑料废弃物带来日益严重的环境污染和资源浪费等问题，开发和设计新型环境友好材料替代广泛使用的有害塑料已成为当前社会发展的迫切需求。纤维素是一种可再生且可完全生物降解的天然绿色材料，基于纳米纤维素的复合材料有望成为新一代绿色环保的高性能结构和功能材料，并引领可持续发展。然而，纤维素的应用功能稳定性通常受使役环境的制约，其中，湿度对于纤维素而言无疑是一个非常敏感的问题，因不可控变形和力学性能下降而通常被认为是纤维素材料的一个不利因素。由于缺乏对纳米纤维素界面力学行为的深入认识，保持纤维素基材料在不同相对湿度下的预期性能具有很大挑战。

近期，中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室吴恒安教授团队和合肥微尺度物质科学国家研究中心俞书宏院士团队深入合作，从多尺度力学出发，结合实验验证，揭示了纳米纤维素中湿度界面变形的微观力学机理，提出了通过湿度界面调控纳米纤维素材料宏观力学性能的新方法。相关研究论文以“Strengthening and Toughening Hierarchical Nanocellulose via Humidity-Mediated Interface”为题在线发表于《ACS Nano》。

图1. 湿度界面调控多级纳米纤维素强韧化的微观力学机制

研究人员首先通过第一性原理计算阐明了氢键差异，发现水分子和纤维素分子间的桥接氢键与纤维素纳米晶（CNC）界面氢键在强度和密度上有明显差异，水分子作为插层介质可以极大地影响纳米纤维素在原子尺度的界面力学行为。随后采用分子动力学模拟建立了带有水分子界面的多级纳米纤维素模型（图2a），通过单轴拉伸研究其力学行为和变形模式。模拟发现带有湿度界面的多级纳米纤维素表现出明显的应变硬化效应，即应力-应变曲线在线弹性阶段后的锯齿状第二阶段（图2b），该阶段可以平均为斜率稍低的线性段，使得峰值应力有一定幅度的增加而断裂应变大幅度增加。初始线弹性阶段主要是纤维素纳米晶本身的拉伸，而越过拐点后的第二阶段是界面滑移导致。在湿度界面滑移过程中，氢键差异导致形成局部的无序界面结构（图2c），即相邻的纤维素分子链被CNC-water-CNC桥接氢键拖拽形成新的界面，这有效促进了应力传递，延缓了应变局域化过程（图2d）。界面水分子较多时，应变硬化阶段会被弱化，这主要是因为过多的水分子不能形成有效的CNC-water-CNC氢键网络，而且水分子间的氢键较弱。

图2. 纳米纤维素的湿度界面力学行为。(a) 分子模型。(b) 应力-应变曲线中的线弹性阶段和随后的应变硬化阶段。(c) 湿度界面滑移。(d) 应变局域化过程。

最后，通过宏观实验验证了环境湿度（RH）对纳晶纤维素薄膜力学性能的影响规律。当RH ≤ 50%时，应变硬化效应使得断裂应变大幅度增加，与分子模拟结果相呼应。在合适的RH范围内，纳晶纤维素薄膜的强度和韧性都得到显著提高，而当RH ≥ 60%时，弹性模量和强度明显下降，这主要是由于界面水分子过多导致溶胀，削弱了界面强度并阻碍了载荷传递能力。

图3. 纳晶纤维素薄膜在不同环境湿度下的的力学性能。

该研究表明氢键在纳米纤维素湿度界面力学行为中发挥了关键作用，揭示了氢键对纳米纤维素序构材料设计的重要性，为自下而上设计高性能纳米纤维素复合材料提供了新策略。

中国科大硕士研究生侯远震、博士后研究员管庆方和夏骏为论文共同第一作者，吴恒安教授为通讯作者，俞书宏院士和朱银波博士为共同通讯作者。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金、中国科学技术大学青年创新重点基金等项目的资助。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08574

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