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  泡沫材料因其質量輕、隔熱性能優異以及良好的緩沖與能量吸收能力，被廣泛應用于建筑保溫、包裝運輸和交通工程等領域。長期以來，大部分泡沫材料依賴石油基聚合物制備，隨著化石資源日益緊缺以及微塑料污染問題不斷加劇，傳統塑料泡沫在資源可持續性與環境友好性方面的局限逐漸顯現。在此背景下，以纖維素為代表的可再生生物質資源開發高性能、可持續的新型泡沫材料，被認為是一項有效的替代途徑。

  近日，東北林業大學于海鵬教授、沈陽化工大學趙大偉教授和德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授合作，提出一種溶劑誘導纖維素分子組裝策略，通過溶劑滲透誘導氫鍵網絡重構，使纖維素分子自發組裝形成胞壁結構，開發了一種具有蜂窩狀梯度孔結構的全纖維素生物泡沫（All-Cel foam，圖1）。該纖維素泡沫在常溫常壓條件下制備，表現出優異的機械性能、熱穩定性和隔熱能力，同時兼具可成型性、可回收性與生物降解性，為生物基泡沫材料的制備提供了新思路。

  2026年1月21日，相關成果以“A gradient-structured all-cellulose biofoam enabled by solvent-induced molecular assembly for sustainable insulation modules”為題發表于Nature Communications期刊。文章第一作者為東北林業大學博士研究生曾素清，通訊作者為于海鵬教授、趙大偉教授、余桂華教授。

圖1 全纖維素分子泡沫（All-Cel foam）的設計與應用

  纖維素是地球上儲量最豐富的天然高分子，其來源廣泛、可再生、可降解，被視為替代石化材料的理想原料。然而，現有纖維素泡沫的制備往往依賴化學氧化、機械開纖等復雜的前處理步驟，并引入交聯劑、發泡劑等化學添加物，不僅工藝繁瑣，還可能帶來額外的環境與健康風險。同時，現有的冷凍干燥和超臨界干燥等高能耗工藝也制約了纖維素基泡沫的可持續發展。

  在本研究中，作者利用氯化鋅/甲酸水合溶劑體系打破天然纖維素分子間和分子內的氫鍵相互作用，并通過溫和的甲酸酯化反應引入酯基結構，為后續分子鍵合提供基礎。在此基礎上，引入乙醇作為分子組裝觸發劑，乙醇分子與纖維素分子上的羥基和甲酸酯基形成新的氫鍵競爭關系，促使氫鍵作用從“纖維素-溶劑”逐步轉變為“纖維素-纖維素”，引發分子鏈構象收縮與超分子纏結。在乙醇首先接觸的表層區域，纖維素分子迅速重組并形成致密的氫鍵網絡，該致密層進一步限制了乙醇向體系內部的擴散，從而在空間上引入了明顯的組裝動力學差異。重組的纖維素氫鍵網絡表層作為屏障減緩乙醇分子繼續向纖維素分子體系內部擴散的速率，纖維素鏈擁有更長的松弛和聚集時間，形成逐漸增大的蜂窩狀孔隙結構。這種由溶劑交換誘導的自組裝過程，使纖維素在常壓條件下無需發泡劑、自發形成梯度孔隙結構的All-Cel foam（圖2）。

圖2 All-Cel foam的分子機制與形貌特征

  分子尺度組裝形成的牢固的氫鍵以及梯度孔隙結構，共同賦予了All-Cel foam優異的機械性能。壓縮測試表明，All-Cel foam的壓縮模量高達11.8 MPa，顯著優于常見的PP、EPS和PU泡沫材料。梯度多孔結構能夠有效實現應力傳遞，從而提高All-Cel foam的韌性及能量吸收能力，使其彎曲強度和模量分別達到2.67 MPa和37 MPa、抗沖擊性能達到152 J/m（圖3）。

圖3 All-Cel foam的卓越機械性能

  動態機械分析結果顯示，All-Cel foam熱穩定溫度高達264°C，明顯高于聚丙烯（PP）、發泡聚苯乙烯（EPS）和聚氨酯（PU）泡沫。在200℃高溫接觸實驗中，EPS與PP泡沫迅速軟化塌陷，PU泡沫在直接接觸熱源時發生結構破壞，而All-Cel foam依然能夠保持原有尺寸和完整結構，體現出優異的熱穩定性。通過引入植酸（PA）對All-Cel foam進行簡單處理，賦予其出色的阻燃性能。處理后的All-Cel/PA foam在錐形量熱測試中表現出顯著降低的熱釋放行為，極限氧指數達到53.6%。垂直燃燒測試中，商業塑料泡沫均出現快速點燃和劇烈燃燒現象，而All-Cel/PA foam在移開火源后迅速自熄，展現出可靠的防火安全性。這一阻燃效果源于植酸在燃燒過程中促進纖維素快速碳化，形成連續致密的炭層，有效隔絕熱量和氧氣，同時釋放含磷自由基抑制燃燒反應，從而實現多重協同阻燃（圖4）。

圖4 All-Cel foam的熱機械性能和阻燃處理

  隔熱性能是評價泡沫材料應用價值的重要指標之一。All-Cel foam的導熱系數為0.047–0.062 W/m·K，與常用石化基泡沫以及已報道的常壓干燥纖維素泡沫相當，體現了其良好的隔熱能力。進一步的隔熱驗證實驗中，相比于未加隔熱層的鐵盒，All-Cel foam作為隔熱層可有效阻隔熱量傳遞，使鐵盒整體升溫幅度降低了87.3%。All-Cel foam兼具機械強度與隔熱性能的優勢，在建筑圍護結構中具有應用潛力，基于EnergyPlus的模擬結果表明，在多種氣候條件下，將All-Cel foam用作墻體保溫層時，建筑年總能耗與聚苯乙烯泡沫相當，且在溫帶及寒冷地區表現出更為顯著的節能效果，凸顯All-Cel foam在綠色建筑與可持續節能領域的應用前景（圖5）。

圖5 All-Cel foam的隔熱性能和建筑能耗模擬評估

  All-Cel foam通過簡單的溶劑交換即可使纖維素分子重組并形成多種復雜三維多孔結構，制備過程無需使用發泡劑或有毒交聯劑，大幅降低了揮發性有機物和溫室氣體排放。得益于分子層面構筑的連續網絡結構，All-Cel foam還可在水中軟化后重塑為其它三維形狀，再經乙醇處理后定型，具有多次形狀編輯能力。此外，由于材料完全由纖維素構成，使用后的All-Cel foam可通過再溶解實現閉環回收。All-Cel foam在自然土壤環境中可在數月內被微生物完全降解。生命周期評估結果進一步表明，與石化基泡沫相比，All-Cel foam在多項環境影響指標上具有優勢，體現了作為新一代可持續泡沫材料的應用潛力（圖6）。

圖6 All-Cel foam的成型性、可回收性、可降解性以及環境影響評估

  總結與展望：

  本研究提出一種溶劑誘導分子組裝策略，利用乙醇引導纖維素分子有序重組，成功構筑了具有梯度孔結構的全纖維素泡沫All-Cel foam。該策略在溫和條件下實現了全纖維素泡沫構筑，避免了復雜化學改性和高能耗工藝，為生物質多孔材料的結構設計和調控提供了新思路。此外，研究所揭示的溶劑誘導分子重構機制還有望推廣至其它林木生物質、多糖及天然高分子材料的結構設計與高值化利用。未來通過進一步調控分子組裝過程、推進規�；苽洳⑾到y優化全生命周期，為低碳建筑、可持續工程及新型功能材料的發展提供支持，推動泡沫材料向更加綠色和可持續的方向發展。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-68803-8.