近日，國際綜合性期刊Nature Communications（《自然通訊》）發表了88858cc永利官网陳朝吉教授課題組與中國林科院林化所劉鶴研究員課題組在生物質基功能凝膠方面的合作研究成果。

論文題目為“Strong, tough, ionic conductive, and freezing-tolerant all-natural hydrogel enabled by cellulose-bentonite coordination interactions”。88858cc永利官网博士後餘樂博士與中國林科院林化所博士研究生王思恒為論文的共同第一作者，陳朝吉教授與中國林科院林化所劉鶴研究員為論文共同通訊作者。

圖1. a 纖維素分子與膨潤土納米片層表面Al單元配位結構示意圖。b 水凝膠在外力作用下的光學照片。c 本工作制備的纖維素/膨潤土水凝膠與現有水凝膠在壓縮強度、可持續性、抗凍性、離子導電性以及成本方面的綜合對比圖。

石油基導電水凝膠具有較高的柔韌性、可調的力學性能和優異的電化學性能，在柔性電子設備等領域具有廣闊的應用前景，但其較差的生物降解性給生态環境帶來了巨大危害。纖維素具有可再生、無毒、可降解等優勢，是制備離子導電水凝膠的理想材料。然而，無機導電離子的引入會破壞纖維素分子間的氫鍵網絡結構，導緻纖維素水凝膠的力學性能出現嚴重衰減。因此，開發兼具高機械強度和離子導電性能的纖維素水凝膠仍然面臨挑戰。

88858cc永利官网陳朝吉教授團隊聯合中國林科院林化所劉鶴研究員團隊，基于超分子化學策略，利用纖維素分子與二維納米膨潤土間的強配位作用，構建了一種高強度、高離子電導率和優異耐低溫性能的纖維素-膨潤土超分子水凝膠。該研究從分子水平揭示了纖維素分子通過Al−O−C配位鍵與膨潤土納米片層表面的非穩态“Al”單元形成六配位穩定結構，從而使水凝膠展現出高強度（壓縮強度達3.2 MPa）和高韌性（斷裂能達0.76 MJ m⁻³）。借助密度泛函理論（DFT）探索了纖維素超分子自組裝結構演變規律，理論計算結果顯示纖維素與納米膨潤土間的結合能為−6.409 eV，是纖維素與纖維素間結合能（−0.459 eV）的14倍，表明纖維素與納米膨潤土間存在強相互作用力，為闡明水凝膠的力學性能增強機制提供理論支撐。同時，纖維素分子與納米膨潤土形成的插層結構可産生納米限域效應，為水凝膠中導電離子提供了高速遷移通道，從而大幅提升導電性能，在25和−20 °C下水凝膠的離子電導率分别達到89.9和25.8 mS cm⁻¹。該纖維素水凝膠作為生物傳感器可實現對人體運動和生理信号的穩定監測，在柔性可穿戴領域具有極大的應用潛力。

本研究是生物質材料與功能離子器件的交叉結合，提出了一種利用天然高分子（纖維素）與天然礦物（膨潤土）之間的強配位作用構築“全天然抗凍導電水凝膠”的創新策略，對生物質基農林廢棄資源以及礦産資源的高附加值可持續利用提供了全新的思路。此外，通過構築有機-無機強配位作用，可實現水凝膠強度、韌性、抗凍性以及離子電導率的同時提升，為超強、超韌、抗凍、高導電水凝膠的設計提出了一種可行的思路。

基于這種獨特的有機-無機強配位螯合作用，陳朝吉教授團隊與中國林科院林化所劉鶴研究員團隊進一步合作設計并在常溫常壓條件下制備了一種全天然可降解纖維素-礦物生物塑料泡沫材料，相關成果近日以“Scalable Production of Biodegradable, Recyclable, Sustainable Cellulose–Mineral Foams via Coordination Interaction Assisted Ambient Drying”為題在線發表于綜合期刊ACS Nano。88858cc永利官网博士研究生陳露為論文第一作者，中國林科院林化所博士研究生王思恒為論文共同第一作者，88858cc永利官网陳朝吉教授和中國林科院林化所劉鶴研究員為論文共同通訊作者。

石化基泡沫由于質輕、耐老化和耐腐蝕，在包裝、隔熱和減震等領域具有廣闊的應用前景，但其不易生物降解的特性給生态環境帶來了巨大危害。纖維素具有可再生、無毒、可降解等優勢，是制備可降解泡沫的理想材料。然而，目前纖維素基泡沫通常使用冷凍幹燥和超臨界二氧化碳幹燥法進行制備，不僅設備昂貴，而且能耗較高，不符合“雙碳”大背景下材料行業的發展趨勢。因此，開發兼具制備工藝簡單、成本能耗低、可降解的纖維素基泡沫仍然面臨挑戰。為解決這一挑戰，88858cc永利官网陳朝吉教授團隊和中國林科院林化所劉鶴研究員團隊基于超分子化學策略，合理設計并利用纖維素分子與膨潤土間的配位作用，實現了纖維素/膨潤土泡沫的室溫制備。這種泡沫具有高強度、高熱穩定性、優異可降解性和可回收性等優勢，對于實現包裝、隔熱行業“碳中和”目标具有重要的現實意義（圖2）。

圖2. 纖維素/膨潤土（Cel/BT）泡沫的制備。圖片來源：ACS Nano

上述研究成果由88858cc永利官网、中國林科院林化所和南京林業大學共同協作完成，并得到88858cc永利官网高層次引進人才啟動資金（691000003）、湖北達雅生物科技股份有限公司（Grant no. 250071570）、國家自然科學基金重大項目（31890774）和江蘇省林業科技創新推廣項目（LYKJ[2021]04）的資助。論文鍊接：Nature Communications https://doi.org/10.1038/s41467-022-30224-8；ACS Nano https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c05635

上述研究成果是陳朝吉教授課題組繼年初在國際材料領域頂刊Advanced Materials （《先進材料》）報道的類海參的纖維素基剛度可調智能新材料成果（A Stiffness-Switchable, Biomimetic Smart Material Enabled by Supramolecular Reconfiguration）之後近一年内的生物質基低碳功能材料研究系列突破。在前述工作中，88858cc永利官网陳朝吉教授、東北林業大學于海鵬教授及沈陽化工大學趙大偉副教授等研究者聯合，利用纖維素分子（Cel）及聚丙烯酰胺分子（PAAm）在乙醇刺激下的差異性表達，構建了一種動态可切換的超分子構型網絡（“舒展超分子網絡“-”卷曲超分子架構），成功開發了一種機械性能可動态切換的智能材料（Cel-PAAm）。此外，Cel-PAAm材料具有的動态超分子構型網絡，使其展現出優異的軟-硬動态可切換性能同時，還使其擁有獨特的加工可設計性、循環可利用性及類生命體的自我修複性能，預期在智能機器人、可植入醫療電子、增材制造及智能防護等領域具有較好的應用潛力。論文鍊接：Advanced Materials https://onlinelibrarywiley.fenshishang.com/doi/abs/10.1002/adma.202107857

圖3. 可逆的超分子構型策略及開發的智能Cel-PAAm材料。圖片來源：Advanced Materials