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近年來，資源與環境問題越來越受到人們的關注。開發利用可再生資源以替代傳統的煤、石油等化石資源成為必然的趨勢，生物質材料作為傳統材料或合成材料的替代材料在許多領域引起了學術和企業界的廣泛關注與重視。納米纖維素是地球上最為豐富的生物質資源，具有易降解、可再生、無毒性且廉價易得等優點，有望代替傳統石化資源并用于生產各種高附加值先進功能材料。根據納米纖維素的制備方法和來源區分，納米纖維素通常可分為三類：纖維素納米晶（CNC）、纖維素納米纖維（CNF）和細菌纖維素（BC）。CNC主要是從天然纖維中提取出的一種納米級的纖維素，它是一種具有天然手性的納米棒狀材料，能夠自發的組裝成左旋的膽甾型液晶且表現出獨特的光學特性，在信息加密、光學編碼、光學數據存儲等領域有廣泛的應用前景。CNF主要是從植物纖維素分離得到的直徑為5-20 nm，長度幾百納米至幾十微米的絲狀纖維素纖維，由于其具有三維納米纖維網絡和優異的機械特性使其在能源存儲、智能驅動和生物醫用等領域具有廣泛的應用潛力。BC主要是由細菌產生的具有生物可降解性的天然納米結構高分子材料，其衍生的功能材料在食品制造、能源存儲、智能驅動、生物醫療、電子器件、軍工等多個領域具有廣泛的應用。由于納米纖維素結合了纖維素和納米材料的獨特屬性，近年來研究人員在納米纖維素基功能材料領域取得了一系列突破性進展，有望在手性光子學、軟體驅動器、能源存儲和生物醫用等領域獲得重要應用。

圖1. 納米纖維素的來源、微觀結構及其潛在應用

手性在自然界中普遍存在，并在生命科學和材料科學中發揮著重要作用。CNC是一種納米級手性光子晶體材料，在臨界濃度下，CNC能夠通過蒸發誘導形成螺旋狀的手性向列型液晶（膽甾型），當其螺旋螺距（p）在可見光波長范圍內時，手性向列相CNC液晶可以選擇性地反射左旋或右旋光，并呈現出彩虹色。CNC的手性向列型液晶相結構既可用于制備高機械性能和具有特殊光學特性的功能膜材料，也可以作為一種生軟模板用來誘導納米顆粒形成具有手性結構的功能材料。因此，在手性催化、手性超材料、偏振加密以及生物傳感等領域均具有重要應用價值。近年來，科學家們一直致力于CNC手性結構的設計、動態結構色的調控以及CNC基手性材料的潛在應用研究并取得了一系列突破性進展。本章重點介紹了近年來納米纖維素基功能材料在手性光子學領域的最新研究進展及其應用前景。

圖2. 納米纖維素功能材料在手性光子學領域的應用

自適應智能形變現象在自然界中無處不在，對生物體維持各種復雜的生命活動至關重要。在瞬息萬變、危機重重的生存環境中，大多數的生物能夠動態地發生形變以適應環境、生存繁衍。受自然界中植物對外界環境刺激的動態響應性行為的啟發（如松果的開合、豆莢的解旋等），近年來，基于各種合成聚合物衍生的軟物質材料，如典型的水凝膠、液晶彈性體和形狀記憶聚合物，科學家們巧妙地設計了多種仿生智能驅動器用以模仿甚至超越生物體的驅動行為。然而，這些傳統的聚合物基材料通常是通過復雜的工藝合成的、成本高、難以降解或回收，這可能會給環境帶來一定的負擔。值得注意的是，基于納米纖維素的仿生軟體驅動器因其優越的機械柔性、高的吸濕能力、可持續或生態友好性、可重復使用或可生物降解性和生物相容性而受到越來越多的關注和重視。本章重點介紹了納米纖維素基功能材料在仿生軟體驅動器領域的最新研究進展及其潛在應用前景。

圖3. 納米纖維素基功能材料在軟體驅動器領域的應用

近年來，全球氣候變暖的趨勢不斷加劇，給地球生態系統帶來一系列連鎖效應。為應對氣候變化，開發利用可再生資源與綠色材料是替代傳統的煤、石油等化石資源，實現碳達峰碳中和最有效途徑之一。其中，納米纖維素因具有大的比表面積、優異的機械柔性、良好的化學穩定性和環境友好性以及纖維之間彼此交錯連接，易形成便于離子和電子傳輸的多孔結構；纖維表面附有羥基、羧基等親水性官能團，在電解質溶液中具有良好的保濕能力，使其衍生的功能材料在儲能領域具有廣泛的應用前景。納米纖維素基功能材料不僅可以作為能源存儲器件中的各種組分，如隔膜、電解質、膠粘劑和載體。同時，通過高溫炭化、原位化學聚合和電化學沉積等策略可與電活性材料復合，獲得更精細的納米結構和優異的電化學性能。本章重點介紹了納米纖維素基功能材料在能源存儲領域的最新研究進展及其潛在應用。

圖4. 納米纖維素基功能材料在能源存儲領域應用

納米纖維素因其低成本、低毒性、特殊的理化性質（如高的機械柔性和彈性模量、高比表面積、低密度、高的保水性、易化學改性等）、良好生物降解性和生物相容性、可再生性和環境友好性等優點，使其在生物醫學材料領域受到學術和企業界越來越多的關注和重視。值得注意的是，在干燥狀態下，納米纖維素的力學性能可與人體骨骼媲美，而在濕潤狀態下，納米纖維素的理化性能與細胞外基質相似。同時，除了優異的理化特性外，納米纖維素與其他聚合物或功能材料具有高的兼容性，從而使得納米纖維素基功能材料在生物醫用領域具有良好的實用價值和廣泛的應用前景。本章重點介紹了納米纖維素基功能材料及其在藥物遞送、抗菌材料以及組織工程等領域的最新研究進展。

圖5. 納米纖維素基功能材料在生物醫用領域的應用

該綜述系統總結了納米纖維素功能材料的最新研究進展及其在手性光子學、軟體驅動器、能源存儲和生物醫用等領域的潛在應用。文章聚焦如何實現納米纖維素的功能化應用這一基本科學問題，闡述了納米纖維素功能材料的合成策略和功能化應用機制，通過系統總結其在手性光子學、軟體驅動器、能源存儲和生物醫用等領域的發展現狀，作者闡述了納米纖維素功能材料及其應用所面臨的挑戰和機遇，并提出了新思考和未來發展方向。論文第一作者為天津大學呂鵬飛博士，通訊作者為天津大學王玲教授和封偉教授。本工作得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃等項目的資助。