仿生纳米结构实现纤维素纤维蜘蛛丝级韧性：断裂应变41%+拉伸强度553 MPa

B910化工消息：6月8日消息，安徽农业大学材料与化学学院叶冬冬（Dongdong Ye）团队联合浙江大学工程力学系朱树正（Shuze Zhu）团队，在Nature Communications发表了一项突破性研究成果。研究团队受樱桃树皮天然螺旋纳米结构的启发，开发出一种双轴取向再生纤维素纤维，韧性达到184 MJ/m³，力学性能与天然蜘蛛丝同一数量级。

纤维素纤维是地球上最丰富的天然高分子材料之一，通过分子取向和密堆积可获得优异的拉伸强度，但其韧性长期以来受到限制，通常低于50 MJ/m³。这一问题源于纤维素纤维固有的脆性——高强度的分子排列虽然能抵抗拉伸，但一旦产生裂纹就会迅速扩展导致断裂。

研究团队从樱桃树皮中找到了灵感。樱桃树皮的细胞壁中，纤维素纤维以螺旋弹簧状折叠排列，外部覆盖多层柔性脂质聚合物。这种独特的结构赋予樱桃树皮超过初始长度两倍的延伸能力——对于纤维素材料而言极为罕见。基于这一发现，研究者提出了仿生纳米取向策略，通过可放大的微流控纺丝技术（microfluidic spinning），制备出具有双轴取向纳米结构的再生纤维素纤维。

实验表征和分子模拟表明，这种双轴纳米结构能够有效重新分配应力，并在变形过程中抑制裂纹扩展。纤维实现了41%的断裂应变和553 MPa的拉伸强度，两者协同作用产生了184 MJ/m³的韧性，较此前报道的大部分纤维素纤维和合成聚合物具有显著竞争优势。这一增强效果从单根纤维延伸至编织织物均保持一致。

从应用角度看，该研究成果具有三重意义。首先，纤维素来源于可再生生物质，该纤维可作为合成高性能纤维的可持续替代品，在纺织行业替代尼龙和聚酯。其次，在汽车零部件领域，高韧性生物基复合材料有助于车辆轻量化。第三，在航空航天领域，轻质高韧结构材料具有明确需求。研究团队通过一种可放大的制造工艺实现了这一突破，为工程化应用奠定了基础。

该论文由付晓彤（Xiaotong Fu）、张希哲（Xizhe Zhang）、杨婷婷（Tingting Yang）、张轶（Yi Zhang）、焦晨露（Chenlu Jiao）、朱树正、叶冬冬共同完成，发表于Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-026-74052-6），获得国家自然科学基金（52473090、12002304、52503126）等资助。 （来源：AZoM）