近日，武汉纺织大学化工学院“智能聚合物界面材料”课题组张福生博士在纳米纤维素结构功能化研究方面取得系列重要进展，相关成果相继发表于国际期刊《ACS NANO》和《Materials Today》。该系列研究聚焦纳米纤维素晶体自组装技术，在手性光子材料开发领域实现创新突破。
在发表于《ACS NANO》的研究中，课题组创新性地提出“限域自组装”策略，成功开发出响应性光子纤维素纳米晶体细丝。该研究突破了传统纤维素产品应用边界，为智能纺织品和可穿戴传感设备领域带来新的发展机遇（图1）。
图1 纤维素光子纤丝的概念图
研究团队采用连续受限自组装机制，结合剪切力驱动取向、快速光化学交联反应和湿纺丝技术，成功克服了纤维素纳米晶体（CNC）在手性光子丝制备中的技术瓶颈（图2）。通过优化加工参数并应用热处理强化CNC分子内氢键，课题组制备出长度超过30米、直径约160微米的光子丝，同时保留了左旋手性向列结构。
图2 “限域自组装”流程图
该光子细丝展现出卓越的性能特征：具有高度有序的分层结构，取向顺序参数达0.91；机械性能优异，应力高达37 MPa，韧性约14 MJ∙m−3；同时具备优异的水环境相容性。特别值得关注的是，这些细丝对水分、视角变化和机械应力表现出显著的干涉色响应，这得益于其高双折射特性（∆n为16.5 × 10−3）和显著的光程差（> 2500 nm）。
研究成果具有广阔的应用前景：光子长丝可通过标准织机进行纺织加工，适用于手工和机器编织，为智能纺织品和时尚创新领域开辟了新途径（图3）。该技术突破不仅推动了纤维素材料在光子超材料、智能纺织品和偏振软光纤通信等领域的应用，更为可持续发展提供了创新解决方案。
图3 应用潜力展示
该研究由中国科学院大连化学物理研究所卿光焱研究员担任通讯作者，武汉纺织大学为第一单位，张福生博士、硕士毕业生余佳奇和中国科学技术大学博士生钟伟为共同第一作者完成。相关研究成果以“Responsive Photonic Filaments from Confined Self-Assembly of Cellulose Nanocrystals”为题发表于《ACS NANO》。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15863
在另一项发表于《Materials Today》的研究中，张福生博士与中国科学院大连化学物理研究所卿光焱研究员合作，成功开发出具有动态机械变色特性的光子Bouligand结构水凝胶。该研究通过结晶域还原和链重构技术重新定向CNC手性向列结构（图4），实现了材料性能的重大突破。
图4 晶体扭转概念图
新型光子水凝胶展现出卓越的机械性能：拉伸性超过950%，韧性高达155.5 MJ∙m−3。同时，材料表现出427 nm波长偏移的可逆颜色变化，并在宽幅机械拉伸范围内保持渐进式电传感响应。特别值得一提的是，研究团队成功将水凝胶集成到微控制器中，构建了机械成像平台，通过光学和电子双信号报告性能实现压力分布的视觉定位（图5）。
这一创新成果标志着CNC材料应用进入新纪元，为医疗、能源和工业领域带来了创新解决方案。该研究不仅为制造坚固的光子水凝胶开辟了新途径，更为仿生光子纤维素材料的智能化应用提供了重要理论支撑和技术支持。
图5 微控制器构建的机械成像平台
该研究由武汉纺织大学张福生博士和中国科学院大连化学物理研究所卿光焱研究员共同担任通讯作者，大连化物所博士生李琼雅为第一作者完成。相关研究成果以“Highly robust cellulose photonic hydrogels with reconfigurability and mechanochromism”为题发表于《Materials Today》。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.01.008
作者简介：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工学院化妆品技术与工程系，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。
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