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•作为自然界储量最丰富的生物聚合物（年产量约1.5万亿吨），纤维素兼具生物可降解与碳中和特性。其纳米级衍生物（CNFs/CNCs）展现出卓越的机械性能和结构可设计性，但实现智能响应、自修复等先进功能需借助超分子工程策略。 图 1 纤维素结构与预处理方法 通过表面修饰可引入多种非共价作用（氢键、静电、金属配位等），其中氢键网络赋予材料高强与自修复特性，静电作用提升复合稳定性，金属配位则能同步实现导电与抗菌功能。这些相互作用可产生协同效应，显著优化材料综合性能。 分子识别自组装 通过超分子基序连接纤维素低聚物或聚合物前体形成网状结构，超分子相互作用决定纤维素纳米复合材料的结构和性能。氢键的键密度和取向可调，影响力学性能和功能属性。金属配位和主客体相互作用扩展多功能性。凝胶状态利于结构化复合材料，超分子相互作用控制可通过多价配位交联实现。π-π堆叠结合CNM与π共轭材料，适用于柔性电子和储能器件。分子识别自组装整合多种超分子相互作用，设计分级多功能材料，如柔性电子器件。超分子纤维素网络对外部刺激有动态可逆性，适用于自修复材料和智能药物输送系统，但适应性可能降低长期稳定性。 模板诱导组装 纳米碳纳米管（CNT）自发组装成手性液晶相，利用表面电荷的氢键和静电排斥作用，高纵横比或低表面电荷增强取向和手性液晶有序。这些液晶相可作为模板组装其他材料，制备具有独特光学性能的纳米复合材料。CNCs的液晶有序性也被用作功能材料的超分子模板。在CNC模板上的聚合物组装通过聚合分子单体或直接混合聚合物链实现，提供响应外部刺激的灵活性。手性CNC结构为CNC基纳米复合材料提供多方向刚度和强度，但也面临制造复杂性、兼容性有限和负载能力有限等挑战。 逐层组装 逐层组装（LBL）是一种精确且通用的溶液处理方法，用于制造纤维素纳米复合材料，通过静电相互作用顺序沉积带相反电荷的材料，形成多层膜。加工条件如pH、离子强度和双层数目影响膜的结构和性能。LBL组装面临CNM的刚性和各向异性以及自聚集趋势的挑战，需要后处理提高耐久性，且目前不适合大规模生产。 空间辅助组装 空间辅助组装在受限空间内操纵复合结构，优化分子取向和堆积密度。超分子相互作用是核心，指导组织和稳定性。可调参数调节相互作用，定制性能。协同作用提供性能控制，但需平衡竞争性相互作用。 乳化组装 乳化组装利用CNM的超分子性质稳定油水不混溶相，作为皮克林稳定剂形成3D复合材料。通过控制工艺定制性能，小液滴产生高强度复合材料，大液滴产生多孔材料。官能化CNMs增强与疏水树脂的相容性和热稳定性。乳液中的原位聚合进一步增强性能。该技术可用于制造涂料、自修复系统和高性能复合材料，但面临能源消耗、功能化复杂性、可扩展性、可持续性和成本效益等挑战。 无溶剂生产 无溶剂工艺如真空渗透、注塑等，及官能化技术如硅烷处理等，为制造CNM增强聚合物复合材料提供可持续途径，改善亲水性CNM与疏水性聚合物基质相容性，防止纤维素高温降解，实现低温加工与有效分散。大量研究聚焦CNMs与生物聚合物结合，界面相容性是关键。Flory-Huggins理论等提供界面能和极性失配见解，但水作用等仍需深入研究。 图2. 纤维素纳米复合材料的超分子构建方法 现有加工方法涵盖分子自组装、液晶模板诱导等策略：自组装技术适用于柔性电子器件，液晶模板法可制备光子晶体，逐层组装能精准调控薄膜结构但效率受限，无溶剂工艺则更符合绿色制造需求。多功能特性与产业化前景•通过结构取向调控和超分子强化可显著提升力学性能；光学特性源于手性向列结构的选择性反射；热管理材料可通过填料复合实现；离子传导性能依赖金属配位扩链效应。这些特性使其在环保包装、智能材料等领域极具应用价值。 图3. 超分子工程调控的多功能复合材料示例 图4 控制纤维素纳米复合材料性能的典型超分子方法 Chen, L., Yu, L., Qi, L. et al. Cellulose nanocomposites by supramoleclar chemistry engineering. Nat Rev Mater (2025). https://doi.org/10.1038/s41578-025-00810-5. 资料整理：阳光净水课题组 编辑：环境与能源功能材料 【通讯作者】陈朝吉，武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师。2015年博士毕业于华中科技大学，2015-2021年分别于华中科技大学与马里兰大学帕克分校从事博士后研究，并于2021年5月入职武汉大学资环学院组建X-Biomass课题组。从事生物质材料（木材、竹材、纤维素、甲壳素等）的多尺度结构设计、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。以第一/通讯作者（含同等贡献）在Nature (2篇)、Science、Nature Reviews Materials (2篇)、Nature Sustainability (2篇)、Nature Communications (8篇)等国内外著名学术期刊上发表SCI论文100余篇，总引用36,000余次，H因子101。获科睿唯安“全球高被引科学家”（2021-2024连续四年入选材料科学领域）、斯坦福大学“全球前2%高被引科学家”终身影响力榜单、麻省理工科技评论亚太区“35岁以下科技创新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖”、“Advanced Science青年科学家创新奖”、“前沿材料青年科学家奖”、阿里巴巴达摩院“青橙优秀入围奖”、“中国新锐科技人物卓越影响奖”、“R&D 100 Awards”、“武汉大学杰出青年”等荣誉。担任The Innovation Materials学术编辑，The Innovation、Research、SusMat、Environmental Science & Ecotechnology、Green Carbon、Molecules等杂志编委/青年编委，以及中国化学会纤维素专业委员会委员。 https://biomass.whu.edu.cn/index.htm 介绍了纤维素纳米复合材料的多尺度超分子工程（包括氢键、静电作用、金属配位、主客体作用、疏水作用和其他非共价相互作用）及其在材料中的制备和加工。作者提供了一种材料和结构的视角，即如何通过超分子化学来调节这些纳米复合材料的机械、离子、光学和热学性能以及环境降解性。最后，提出了下一代纤维素纳米复合材料的发展仍然存在的挑战和潜在的未来方向，讨论了这些方法如何解决循环性和环境可持续性目标，并强调了该领域的主要挑战和未来前景，呼吁对超分子化学工程的进一步关注，以最大限度地发挥这些材料的潜力。
纤维素作为一种天然高分子材料，具有来源广泛、结构层次丰富且可再生的特点。通过化学或酶解处理可制备纤维素纳米材料（CNMs），主要包括纤维素纳米纤维（CNFs）和纤维素纳米晶（CNCs）。这类材料凭借出色的力学特性、结构各向异性以及表面可改性等特点，常被用作复合材料的增强组分，显著提升材料的机械强度、稳定性和功能性。当前研究趋势正从单纯的力学增强转向多功能集成与智能响应开发，以适应柔性电子器件、生物医学工程及环境治理等应用领域的需求。在此背景下，超分子化学方法的引入为调控纤维素纳米复合材料的结构与性能开辟了新途径。在当前追求可持续发展与高性能材料协同发展的研究背景下，纤维素因其作为储量最丰富的可再生天然高分子材料，兼具环境友好性和可降解特性而备受研究者青睐。尽管如此，该材料固有的高度结晶结构和界面调控能力的不足，仍然限制了其在柔性电子器件、能源存储、生物医学以及环境修复等高新技术领域的进一步应用拓展。
纤维素纳米材料的特性与发展瓶颈
超分子作用机制与功能调控
先进加工技术体系
纤维素材料具有独特的化学和物理性质，在不同的长度尺度上具有良好的组合，这些性质包括两亲性、化学和结构可调性、高机械强度、热稳定性、手性和生物降解性，这些特性为开发纤维素纳米复合材料提供了坚实的基础，以满足不同的性能要求。纳米纤维素（CNM）具有高模量和强度，但其强度测定有挑战。CNM在基质中分散困难，可通过纳米限制、取向排列等策略增强性能。超分子相互作用可改善界面，提升机械性能。纤维素光学性质独特，可调制手性结构颜色。热性能方面，纤维素是不良热导体，但与高导热组分结合可改善。离子输运性质上，纤维素本身不导电，但通过特定金属离子配位等可提升离子电导率。纳米流体通道中离子电导显著不同，表面电荷可支配离子传输。纤维素材料具有生物降解性，但增强稳定性策略会降低其降解性。
纤维素纳米复合材料的产业化应用仍存在多重技术瓶颈，需协同解决宏观结构均质化、界面结合效能与超分子构象稳定性的矛盾关系，精细调控CNMs的几何参数与分散状态，强化组分间非键合相互作用。研究趋势将聚焦跨尺度协同设计，整合分子自组装技术与宏观成型工艺，开发环境响应型智能材料体系。先进表征技术与计算模拟方法的融合将深化"结构-性能-功能"关联机制认知。产业化层面需突破原料可持续供应、工艺经济性及产品批次稳定性等关键问题，通过农林废弃物高值化利用、智能制造技术集成及全生命周期评价体系构建，推动绿色材料体系的商业化进程。
来源：环境与能源功能材料
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