聶雙喜教授最新《Nature》子刊：超彈性纖維素摩擦電氣凝膠

【研究背景】

開發兼具高彈性與高強度的輕質多孔氣凝膠，對航空航天、國防及新能源等領域具有重要意義。彈性保障材料在復雜環境中的循環使用性能，強度則決定其結構穩定性與服役壽命。天然纖維素納米纖維（CNF）由結晶區與非結晶區構成，結晶區內有序排列的分子提供高強度，非結晶區則賦予柔性，使其成為構筑高性能氣凝膠的理想原材料。

然而，氣凝膠中彈性與強度之間存在內在矛盾，高剛度雖提升強度卻削弱彈性，而柔性增強則易降低結構穩定性。同時，CNF表面富含羥基，易形成不可逆氫鍵，導致壓縮后結構黏連與塌陷，限制其彈性恢復能力。因此，實現纖維間相互作用的精準調控，以兼顧超彈性與高強度，仍是關鍵挑戰。

【文章概述】

近日，聶雙喜教授課題組提出了一種基于分子鏈重排的拓撲異構化策略，用于同步提升纖維素摩擦電氣凝膠的彈性與強度。該策略通過乙二胺與纖維素羥基的競爭性氫鍵作用重構纖維素網絡，削弱不可逆鏈間束縛并暴露活性位點。進一步引入氣相介導的原位界面聚合與共價交聯，構建具有能量耗散功能的拓撲網絡，實現應力多級分散與可逆調控。同時，網絡重構誘導晶型轉變與官能團重排，調控表面電勢與電荷轉移行為，增強界面摩擦電響應，并賦予材料優異的彈性與環境穩定性。該項成果以題為“Topological Isomerization Unlocks Exceptional Elasticity and Strength of Cellulosic Triboelectric Aerogels”發表在《Nature Communications》期刊上。2024級博士研究生羅啟觀為第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，高鳳、劉喆穎、劉濤、張松、羅斌、蔡晨晨、王金龍、劉艷華、白亞宇、于康等參與研究，廣西大學為唯一完成單位。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-71965-0

【圖文導讀】

1. 纖維素氣凝膠拓撲異構化

本研究提出拓撲異構化策略，實現了纖維素氣凝膠超彈性與高強度的協同調控。無水乙二胺滲透CNF-Ⅰ氣凝膠網絡，通過競爭性氫鍵作用破壞原有纖維素氫鍵結構并誘導晶型向CNF-Ⅲ轉變，同時保持三維多孔結構穩定。該過程引起分子鏈重排并暴露更多活性羥基，在保留一定結晶度與纖維強度的基礎上提高反應活性。進一步通過原位聚合與交聯構建具有拓撲網絡的氣凝膠（CNF-Ⅲ@Si），實現氫鍵屏蔽與應力耗散協同調控，從而顯著提升材料的彈性恢復能力與力學強度，并賦予其穩定的摩擦電輸出性能。該策略克服了輕質多孔材料在超彈性、高強度與超低密度之間難以兼顧的局限性。

圖1. 通過拓撲異構化制造超彈性和高強度的摩擦電氣凝膠

2. 結晶異構化的演變過程

結晶異構化的核心在于通過分子鏈重排提升纖維素羥基的可及度與反應活性。相比CNF-Ⅰ，CNF-Ⅲ中片內氫鍵顯著減少，削弱了對伯羥基的束縛，同時分子鏈柔性增強，使羥基具有更高自由度。構象由以tg、gg為主轉變為以gt為主，進一步提升羥基活性。此外，適度保留的片間氫鍵有助于維持纖維結構強度。該過程在不破壞宏觀多孔結構的前提下，實現氫鍵網絡弱化與分子鏈重排協同作用，從而顯著提高羥基暴露程度與界面反應能力。

圖2. 纖維素結晶異構化增強羥基的可及度

3. 原位聚合和交聯構建拓撲網絡

基于Ⅲ型纖維素氣凝膠較高的羥基可及度，通過氣相介導的原位界面聚合與交聯構建均勻致密的聚合物拓撲網絡。甲基三甲氧基硅烷（MTMS）在孔壁表面擴散并發生水解與縮聚反應，在活性羥基位點上形成穩定的Si-O-Si共價連接，實現從分子尺度到界面的連續網絡構筑。相比之下，低羥基可及度限制了聚合反應的連續性，而高羥基密度促進網絡在孔壁及連接節點的均勻覆蓋。該過程不僅有效屏蔽纖維間氫鍵作用，還通過拓撲結構實現應力傳遞與耗散的協同調控，從而為材料同時獲得優異彈性與強度提供結構基礎。

圖3. 氣相介導的原位界面聚合與共價交聯

4. 拓撲網絡屏蔽氫鍵改善機械性能

CNF-Ⅰ氣凝膠首次壓縮后發生明顯塑性變形，最大壓縮應力為81.6 kPa。有限元模擬表明，應力主要集中于孔壁連接處，表明結構穩定性對力學性能至關重要。相比之下，CNF-Ⅲ@Si氣凝膠表現出更高強度和超彈性，壓縮強度達180.6 kPa，并在循環壓縮20,000次后仍保持優異的結構穩定性和力學響應。即使在多次循環后，氣凝膠表現出高模量（2.0 MPa）和低能量耗散系數（0.464）。此外，氣凝膠在-196 ℃和200 ℃極端條件下仍保持壓縮恢復性，并在沖擊測試中實現快速回彈，展現出優異的彈性恢復與抗沖擊能力。

圖4. 氣凝膠的機械性能

5. 基于拓撲異構化的彈性摩擦電氣凝膠

基于氣凝膠優異的機械穩定性與快速恢復特性，將其與全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）組裝為摩擦納米發電機（TENG）。通過密度泛函計算分析CNF-Ⅲ@Si分子簡化模型的電勢分布、帶隙及福井函數，從原子層面揭示電荷的產生與轉移機制。得益于CNF-Ⅲ@Si的強給電子能力和電正性，器件表現出優異的摩擦電輸出性能。在25 ℃下，CNF-III@Si氣凝膠的TENG輸出性能（表面電荷密度、輸出電流和電壓）均高于CNF-I@Si，在200 ℃條件下輸出電壓仍保持約41.6 V。器件響應時間和恢復時間分別為71 ms和69 ms，體現出快速響應特性。在12,000次循環后輸出信號變化率小于0.5 %，并在58-98 %濕度范圍內保持穩定，展現出良好的穩定性與環境適應性。

圖5. 氣凝膠的摩擦電性能

【結論】

本研究提出了一種拓撲異構化策略，用于制備兼具超彈性和高強度的纖維素摩擦電氣凝膠。通過胺處理工藝重構纖維素氫鍵網絡，在提升纖維素氣凝膠羥基可及度的同時保持纖維剛度。進一步在纖維表面原位聚合并構建拓撲網絡，有效避免纖維間的黏附，在維持強度的同時屏蔽氫鍵相互作用，解決了彈性和強度之間的固有矛盾。此外，拓撲異構化賦予氣凝膠穩定的供電子能力，顯著增強氣凝膠摩擦電輸出性能的穩定性。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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