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  面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)與環(huán)境污染，尋找替代石油基材料的可持續(xù)方案成為全球共識(shí)。纖維素，作為地球上最豐富的天然高分子，在功能性三維結(jié)構(gòu)構(gòu)筑中展現(xiàn)出巨大潛力。近日，來自不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒教授團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)了基于纖維素的液態(tài)凝膠與多孔材料的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)討論其在柔性電子、熱管理和水收集等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

  隨著可持續(xù)材料研究的迅猛發(fā)展，構(gòu)筑具有功能性的三維（3D）結(jié)構(gòu)成為推動(dòng)綠色科技的關(guān)鍵一環(huán)。相比傳統(tǒng)石油基聚合物材料，天然纖維素因其結(jié)構(gòu)多樣性、生物降解性和表面官能化能力，成為打造功能性3D材料的理想候選者。

  本綜述文章聚焦于兩大類基于纖維素的3D結(jié)構(gòu)：液態(tài)凝膠（如水凝膠、離子凝膠）與多孔材料（如氣凝膠、泡沫）。作者通過結(jié)構(gòu)-性能-功能的視角，梳理了各類材料的設(shè)計(jì)策略與應(yīng)用前景。

圖1：纖維素3D結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與應(yīng)用

  凝膠方面，文章介紹了纖維素納米纖維（CNFs）與納米晶（CNCs）在凝膠體系中作為增強(qiáng)劑、分散劑及主體骨架的多重角色，并探討了通過溶劑系統(tǒng)調(diào)控所得凝膠的導(dǎo)電性、耐低溫性和可拉伸性能。

圖2. 纖維素在構(gòu)建凝膠體系中的不同角色

  多孔材料方面，文章重點(diǎn)展示了通過定向冷凍、溶劑置換、3D打印等手段構(gòu)建結(jié)構(gòu)可控、光學(xué)透明或具彈性回復(fù)能力的纖維素多孔網(wǎng)絡(luò)。尤其是在氣凝膠方向，作者總結(jié)了多種策略用于實(shí)現(xiàn)纖維排列精細(xì)化和孔徑調(diào)控，使得所得材料兼具高透光率和優(yōu)良力學(xué)性能。

圖3. 透明纖維素3D多孔網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

  基于上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，纖維素3D結(jié)構(gòu)在多個(gè)前沿領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力。例如：

• 柔性電子：可拉伸、導(dǎo)電凝膠用于穿戴式傳感器；
  

• 熱管理：透明氣凝膠作為隔熱材料，兼具輕質(zhì)與高效；
  

• 水收集與濕度調(diào)節(jié)：結(jié)合鹽類吸濕劑實(shí)現(xiàn)高效大氣水捕集。

  該文為構(gòu)建基于纖維素的功能性三維材料提供了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略與性能優(yōu)化路徑。未來，結(jié)合動(dòng)態(tài)交聯(lián)、結(jié)構(gòu)分級(jí)構(gòu)建與先進(jìn)制造技術(shù)，有望推動(dòng)纖維素3D材料在智能可穿戴、生物醫(yī)學(xué)、能源與環(huán)境等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

  該綜述文章以題為“Transforming Cellulose Into Functional Three‐Dimensional Structures” 的研究成果，近日發(fā)表在國際著名期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202504778）上。文章由不列顛哥倫比亞大學(xué)（University of British Columbia）Sustainable Functional Biomaterials Lab博士生（Xia Sun）和訪問博士生（Hao Sun）擔(dān)任第一作者，姜鋒（Feng Jiang）教授為唯一通訊作者。

  作為該課題組在可持續(xù)功能材料研究方向的重要積累，該工作延續(xù)了團(tuán)隊(duì)在天然高分子結(jié)構(gòu)調(diào)控與功能集成方面的持續(xù)探索。近年來，姜教授團(tuán)隊(duì)已在該領(lǐng)域發(fā)表多篇高水平論文，持續(xù)推動(dòng)綠色材料在多場景中的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

向上滑動(dòng)閱覽

  Advanced Materials, 2024, 36(1): 2306653.

  新型高強(qiáng)度水凝膠

  Advanced Materials, 2024, 36(25): 2400084.

  微相分離水凝膠

  Advanced Materials, 2025, 37(7): 2416916.

  超拉伸纖維素水凝膠：

  Materials Today, 2024, 74: 67-76.

  纖維素基離子導(dǎo)體綜述，

  Chemical Reviews 2024，123 (15), 9204-9264

  糖析法制備水凝膠，

  Adv. Funct. Mater.2024, 2315184

  全纖維素基水凝膠膠黏劑，

  The Innovation Materials, 2024, 1 (3), 100040

  仿生環(huán)境響應(yīng)性異質(zhì)結(jié)構(gòu)水凝膠,

  Mater. Horiz., 2023, 10, 2667-2676

  用于離子皮膚的高環(huán)境穩(wěn)定性離子凝膠,

  Adv. Funct. Mater.2023, 33, 2209787

  界面工程制備的液態(tài)金屬水凝膠,

  Nano Energy 2022，99, 107374

  綠色方法制備纖維素基水凝膠，

  Adv. Funct. Mater.2022，32，2202533

  納米纖維素本征性能對(duì)于水凝膠性質(zhì)的提高

  Adv. Funct. Mater.2020, 30, 200343