納米纖維素（CNF）是地球上最豐富的可再生納米材料。通過(guò)不同的過(guò)程（如酸水解、機(jī)械處理、酶水解、氧化和離子液體處理等），研究者可以從植物、海洋動(dòng)物和細(xì)菌中提取出形態(tài)各異的CNF。CNF具有諸多優(yōu)點(diǎn)：量大，可再生，可降解，可生物相容，密度低，長(zhǎng)徑比高，超親水，結(jié)晶度高，含有豐富的表面基團(tuán)，透明性高，熱膨脹系數(shù)低，熱穩(wěn)定性好，良好的流變性和模量高。正因?yàn)槿绱耍珻NF在生物醫(yī)學(xué)、紡織品、傳感器、能源、催化劑、食品、電子和水處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于密度低、模量高，CNF在聚合物中可以替代傳統(tǒng)的增強(qiáng)材料（如玻璃纖維），制備出輕質(zhì)高強(qiáng)的納米復(fù)合材料。兩種物質(zhì)混合在一起，界面問(wèn)題永遠(yuǎn)是個(gè)挑戰(zhàn)。CNF是親水性的，和大多數(shù)憎水的聚合物混合在一起時(shí)難免團(tuán)聚，所以研究者提出了許多化學(xué)方法來(lái)修飾CNF，如氧化、甲硅烷基化、酯化、醚化和聚合物接枝等，這些方法的目的只有一個(gè)，就是增強(qiáng)CNF與聚合物之間的界面相容性。不要以為CNF制品只停留在實(shí)驗(yàn)室階段。三菱鉛筆公司已經(jīng)在北美銷售含有CNF墨水的筆；日本紙業(yè)公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出含CNF的成人紙尿褲；京都大學(xué)設(shè)計(jì)了一款CNF概念車（NCV），并在2019年?yáng)|京車展期間展出，車身、引擎蓋和半透明車頂均由CNF增強(qiáng)復(fù)合材料制成，重量?jī)H有傳統(tǒng)汽車的一半。受到生物體系多級(jí)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究者對(duì)CNF在聚合物中的巧妙排列、并因此展現(xiàn)出不同的功能越來(lái)越感興趣。這種各向異性的納米復(fù)合材料在光學(xué)、機(jī)械、熱傳感器、軟致動(dòng)器、人造肌肉等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。McGill大學(xué)Yixiang Wang和武漢大學(xué)常春雨團(tuán)隊(duì)對(duì)高度有序排列的CNF復(fù)合材料的最新進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，重點(diǎn)介紹了高度取向的結(jié)構(gòu)，螺旋結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料。為了實(shí)現(xiàn)CNF在聚合物中的單軸取向，研究者主要采用五種策略：電場(chǎng)、磁場(chǎng)、拉伸力場(chǎng)、剪切力場(chǎng)和模板法。在外部交流電場(chǎng)下，具有永久或感應(yīng)偶極的CNF會(huì)與電場(chǎng)方向平行排列而實(shí)現(xiàn)取向。Xu等人在聚氨酯中加入電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了CNF的單軸取向，與垂直方向相比，在平行方向上復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別提高了2.07和1.82倍。當(dāng)把CNF置于磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)因其磁性響應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)取向。Cao等人利用共沉淀法在CNF的表面上沉積了Fe3O4納米顆粒（約62 wt％），在低強(qiáng)度磁場(chǎng)（0.2 T）下，實(shí)現(xiàn)了CNF在環(huán)氧天然橡膠（ENR）中的排列，平行排列的材料其拉伸強(qiáng)度和模量分別比純ENR提高了1.4和1.6倍。與電場(chǎng)或磁場(chǎng)相比，剪切力是控制CNF取向的簡(jiǎn)易方法，Hausmann等人研究了在直接墨水書寫過(guò)程中，在剪切應(yīng)力作用下CNF在墨水中的取向動(dòng)力學(xué)。Zhang等人通過(guò)CNF的甲硅烷化和冷凍鑄膜技術(shù)制備了聚乙烯醇和CNF層狀氣凝膠，其吸收有機(jī)溶劑和油的能力是其自身重量的45~99倍，并可重復(fù)使用。硫酸水解的CNF溶液在受控條件下蒸發(fā)，可以形成具有手性向列結(jié)構(gòu)的彩色膜，可以用作反光片和濾光片。但是這種膜不耐水、較脆，研究者就加入各種添加劑，如甘油、葡萄糖、表面活性劑等進(jìn)行改進(jìn)。Zhou等人制備了CNF/PEG光子膜，呈現(xiàn)出從藍(lán)色到紅色均勻、鮮艷的顏色。Wan等人制備出了CNF/水性聚氨酯柔性光子膜，通過(guò)改變螺旋間距就能調(diào)節(jié)顏色，這種膜對(duì)濕氣還能產(chǎn)生快速光學(xué)響應(yīng)。MacLachlan等人通過(guò)吡咯的原位聚合反應(yīng)開(kāi)發(fā)出了導(dǎo)電的CNF/聚吡咯復(fù)合膜，拉伸時(shí)薄膜從白色依次變?yōu)樗{(lán)色、黃色、粉紅色和綠色。圖3. 具有梯度結(jié)構(gòu)的CNF復(fù)合材料。受到生物系統(tǒng)中梯度結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究者通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度、孔分布和CNF的排列制備出了梯度納米復(fù)合材料。受到魷魚(yú)嘴梯度結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，Rowan等人利用烯丙基官能化CNF的光誘導(dǎo)硫醇-烯交聯(lián)反應(yīng)制備了納米復(fù)合材料，由于存在梯度結(jié)構(gòu)，在同一樣品中，模量在60~300 MPa之間變化。Kumacheva等人利用一種微擠出3D打印方法，制備了縱向和橫向梯度的CNF/明膠水凝膠材料。利用電泳原理，Chang人開(kāi)發(fā)了一種梯度分布的CNF膠束/聚（N-異丙基丙烯酰胺）納米復(fù)合水凝膠，具有快速熱響應(yīng)性能，彎曲速度4.8°/s，恢復(fù)速度1.4°/s。在過(guò)去的二十年中，CNF作為增強(qiáng)材料已經(jīng)在汽車、運(yùn)動(dòng)裝備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。受到自然界各種納米結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究者發(fā)現(xiàn)在聚合物基質(zhì)中通過(guò)控制CNF的排列，材料就能表現(xiàn)出不同的性能。McGill大學(xué)Yixiang Wang和武漢大學(xué)常春雨課題組對(duì)高度有序排列的CNF復(fù)合材料的最新進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為如下領(lǐng)域值得進(jìn)一步研究：①目前不同CNF排列結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料仍然以實(shí)驗(yàn)室研究為主，開(kāi)發(fā)出一種適合于工業(yè)化生產(chǎn)的CNF復(fù)合材料能極大的推動(dòng)這一領(lǐng)域的研究；②在實(shí)現(xiàn)CNF復(fù)合材料規(guī)模化生產(chǎn)的同時(shí)如何控制成本及精確控制CNF的排列仍然是個(gè)挑戰(zhàn)；③CNF復(fù)合材料對(duì)自然環(huán)境和人體健康的影響值得深入研究，在這種材料大規(guī)模應(yīng)用后這個(gè)問(wèn)題將更加突出。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08906
