纖維素納米晶
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-27
纖維素納米晶的實例教程
模擬發現帶有濕度界面的多級納米纖維素表現出明顯的應變硬化效應，即應力-應變曲線在線彈性階段后的鋸齒狀第二階段（圖2b），該階段可以平均為斜率稍低的線性段，使得峰值應力有一定幅度的增加而斷裂應變大幅度增加。初始線彈性階段主要是纖維素納米晶本身的拉伸，而越過拐點后的第二階段是界面滑移導致。在濕度界面滑移過程中，氫鍵差異導致形成局部的無序界面結構（圖2c），即相鄰的纖維素分子鏈被CNC-water-CNC橋接氫鍵拖拽形成新的界面，這有效促進了應力傳遞，延緩了應變局域化過程（圖2d）。界面水分子較多時，應變硬化階段會被弱化，這主要是因為過多的水分子不能形成有效的CNC-water-CNC氫鍵網絡，而且水分子間的氫鍵較弱。
圖2. 納米纖維素的濕度界面力學行為。(a) 分子模型。(b) 應力-應變曲線中的線彈性階段和隨后的應變硬化階段。(c) 濕度界面滑移。(d) 應變局域化過程。
最后，通過宏觀實驗驗證了環境濕度（RH）對納晶纖維素薄膜力學性能的影響規律。當RH ≤ 50%時，應變硬化效應使得斷裂應變大幅度增加，與分子模擬結果相呼應。在合適的RH范圍內，納晶纖維素薄膜的強度和韌性都得到顯著提高，而當RH ≥ 60%時，彈性模量和強度明顯下降，這主要是由于界面水分子過多導致溶脹，削弱了界面強度并阻礙了載荷傳遞能力。
圖3. 納晶纖維素薄膜在不同環境濕度下的的力學性能。
該研究表明氫鍵在納米纖維素濕度界面力學行為中發揮了關鍵作用，揭示了氫鍵對納米纖維素序構材料設計的重要性，為自下而上設計高性能納米纖維素復合材料提供了新策略。
展開 纖維素納米晶（Cellulose Nanocrystal, CNC）一種生物質棒狀納米材料，因其優異的力學性能而被廣泛應用于增強高分子材料，如淀粉、天然橡膠、聚乙烯醇、聚氨酯等。當聚合物基體中的CNC填充量超過一定逾滲（逾滲閾值）時形成能顯著增強聚合物性能的剛性CNC逾滲網絡。橡膠是一種常用的天然彈性體，但由于其模量低，通常需要用剛性增強填料進行增強改性。然而，CNC表面豐富的羥基及其高度的親水性限制了其在增強彈性體中的應用。彈性體通常為疏水性的，CNC的高度親水性導致CNC與彈性體之間的界面相容性差，且在彈性體基質中易發生聚集。因此，CNC與彈性體基質之間的相容性是實現CNC增強復合材料性能的關鍵。
基于以上科學問題，西南大學軟物質材料化學與功能制造重慶市重點實驗室黃進教授和甘霖副教授團隊與華南理工大學陳玉坤教授團隊合作研究提出Thiol-Ene點擊反應形成增強填料/聚合物基體共價鍵，改善CNC與天然橡膠之間的相容性和界面相互作用，顯著增強其熱性能和力學性能。該工作基于CNC高表面化學活性及其反應可控性，通過調控CNC表面羥基與(3-巰基丙基)-三甲氧基硅烷的摩爾比，分別得到三種不同硫醇官能化的CNC。然后通過研究硫醇功能化CNC與丁晴橡膠基體之間的界面相容性和相互作用，討論了納米復合材料在梯度硫醇化下的熱性能和力學性能，并通過相互作用研究揭示了其增強機理。
展開 【科研摘要】
具有高度耐用的結構顏色的基于纖維素納米晶體（
CNC）的響應光學材料的開發受到越來越多的關注。然而，由于諸如組裝時間長和由高百分比的CNCs引起的聚集等因素，具有手性向列排列的CNCs的刺激響應性光學水凝膠不足以用于實際應用。
最近
，
武漢大學
常春雨副教授
/張俐娜院士
團隊
通過對
被膜纖維素納米晶體（TCNC）進行定向剪切，然后將對齊的TCNC鎖定在聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）網絡中，制得具有均勻干涉色的機械-熱致變色水凝膠。
由于TCNC的長徑比和結晶度較高，因此在較低的濃度下會出現虹彩雙折射。中等濃度（
?
5 wt％）的剪切取向TCNCs不僅使納米復合水凝膠具有均勻的干涉色，而且改善了水凝膠的機械性能。
取向的TCNC/PNIPAM水凝膠對拉伸力，壓縮力和溫度表現出可逆且獨特的響應性。這項工作為設計用于傳感器，環境監測和防偽標簽的基于TCNC的可持續性和可拉伸響應光學設備提供了一種新策略。
相關論文以題為
Shear-aligned tunicate-cellulose-nanocrystal-reinforced hydrogels with mechano-thermo-chromic properties
發表在《
Journal of Materials Chemistry C
》上。
【主圖導讀】
圖
1剪切取向的TCNC/PNIPAM水凝膠（OH）的設計和制造。
圖
2 TCNC/PNIPAM水凝膠的結構。
展開 上海交通大學材料科學與工程學院朱申敏教授和醫學院附屬第九人民醫院眼科汪朝陽主任醫師團隊提出了一種簡單的方法，利用氨基修飾的碳點 (NCD) 和醛基改性纖維素納米晶體間的反應，制備用于同時光熱和光動力療法的可注射水凝膠（圖1）。NCD不僅作為光熱劑與光敏劑，同時作為交聯劑形成水凝膠。NCD表現出 77.6% 的光熱轉換效率，并且在660 nm光照下具有 0.37 的高單線態氧量子產率。體外細胞實驗和體內動物實驗證明水凝膠無毒和有效的腫瘤抑制作用。因此，光治療劑與聚合物基體直接反應的策略不僅為可注射水凝膠的制備提供了新的策略，而且為腫瘤治療提供借鑒思路。
圖1. CCHOxNCD水凝膠的合成及其在癌癥治療中的應用(x等于水凝膠中NCDs的濃度；x= 2, 4 , 6, 8 mg/mL)
流變頻率掃描測試（圖2a）顯示CCHONCD水凝膠表現出恒定的G'和G''值。隨著NCD含量的增加（圖2b）顯示出線性粘彈性行為。水凝膠的粘度隨著剪切速率的增加而急劇下降（圖2c），有利于注射。如圖2d所示，當應變從1%到200%變化時，CCHO4NCD經歷凝膠-溶膠轉變。相反，當應變從200%降低到1%時，由于溶膠-凝膠轉變，樣品的G'和G''立即恢復到其原始值。說明，溶膠-凝膠轉變是可逆的，樣品能夠自我修復到初始狀態。
圖2. CCHOxNCD水凝膠的流變性能
在人宮頸癌細胞和小鼠黑色素瘤細胞系上對生物安全性和治療有效性進行驗證后，動物實驗流程如圖3a。
展開 圖3 類雙曲面3D結構的力學性能測試
課題組自2019年以來，通過“拉伸-松弛-干燥”動態共價水凝膠的方法，取得了一系列研究進展，使分散在動態共價水凝膠中的棒狀納米材料實現了有序排布，成功制備了多維度雙折射材料（ACS Nano 2019，13，3867-3874）。進一步通過模塊化設計實現了更廣闊、靈活的顏色調控方式，并成功將其用于光學防偽材料（Adv. Optical Mater. 2020，8，2000547），另外，課題組通過同時排布纖維素納米晶和金納米棒，集合了雙折射效應和表面等離子效應兩種特異性光學機制，從而實現了更廣的顏色調控（ACS Nano 2020, 14, 12, 16832–16839）。
本研究相關成果以“3D Hollow Xerogels with Ordered Cellulose Nanocrystals for Tailored Mechanical Properties”為題發表在近期的《Small》上。論文第一作者為Yang Yang、Heqin Huang博士，第二作者為Dan Xu博士研究生，通訊作者為德國哥廷根大學張凱教授。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202104702
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纖維素納米晶的最新內容
采用定向冷凍干燥法和烷基化反應法制備了木片激發纖維素納米晶氣凝膠，同時提高了木片激發纖維素納米晶氣凝膠的防漏和浸漬性能。為了提高STA-EGaIn的導熱性能和光熱性能，引入MoS2來降低STA-EGaIn的界面熱阻，調整EGaIn基相變儲能復合材料的光吸收性能。
采用定向冷凍干燥法和烷基化反應法制備了木片激發纖維素納米晶氣凝膠，同時提高了木片激發纖維素納米晶氣凝膠的防漏和浸漬性能。為了提高STA-EGaIn的導熱性能和光熱性能，引入MoS2來降低STA-EGaIn的界面熱阻，調整EGaIn基相變儲能復合材料的光吸收性能。所得復合材料具有優異的光熱轉換性能、高相變焓、防泄漏性能和增強的導熱性。
來源 | Materials Today
01
背景介紹
熱電( TE )技術作為一種綠色的工程解決方案，在小規模制冷和余熱回收方面越來越受到關注。在實際應用中，固態冷卻是其主導應用，由于具有高可靠性和緊湊性、無噪音運行、精確控溫等優點，已經具有成熟的商用市場。除了邊界或界面，孔隙率是另一種有效的策略，有望干擾聲子輸運以提高
一、研究的背景與問題
進入21世紀，鋼材材料仍是占主導地位的先進結構材料。經濟建設和社會發展要求大幅度提高鋼的強韌性，發展適應不同要求的品種，改善鋼材質量，降低生產成本，按照可持續發展的要求，開發與人類友好的基礎材料，已成為從事鋼鐵材料研究和生產單位的歷史任務。合金化是常用的一種提高材料性能的有效手段，為了滿足人類社會發展對于材料性能不斷提出的新要求
根據應用的不同，可能需要熱學性能差異很大的材料。雖然對于熱電應用來說，超低的導熱系數是必不可少的，但在微電子的熱管理中，高的熱耗散速率是必不可少的。因此，了解納米尺度的熱輸運對于為特定的應用設計具有優化的熱性能的結構是至關重要的。在納米尺度上控制熱能傳遞和熱學性質在許多應用中變得至關重要，因為這往往會限制器件的性能。 來自西班牙貝拉特拉大學的學者研究了自支撐納米硅膜的納米尺度結構對熱導率的影響，以
（B） 被/未被ROS降解的纖維素納米晶圖像；（C） 芯殼微球的多模式協同藥物釋放和按需釋放
南京林業大學博士生曲清莉為論文第一作者，黃超伯教授和歐洲科學院院士、比利時根特大學Stefaan C. De Smedt教授為通訊作者，南京林業大學為第一作者單位。
水凝膠電解質基柔性鋅離子混合電容器（ZIHCs）由于其集成了鋅電池和電容器的互補優勢，正逐漸成為一種新興的、極具潛力的儲能設備。然而，鋅離子混合電容器仍面臨著能量密度和循環壽命之間失衡和鋅負極枝結晶的問題。與此同時，如何實現高性能的水凝膠電解質仍然存在一些挑戰：1）繁瑣的制備過程，需要長時間的高溫加熱（60-90 °C，
Optical Mater. 2020，8，2000547），另外，課題組通過同時排布纖維素納米晶和金納米棒，集合了雙折射效應和表面等離子效應兩種特異性光學機制，從而實現了更廣的顏色調控（ACS Nano 2020, 14, 12, 16832–16839）。
制造復雜的分層材料的關鍵是控制不同長度尺度的化學反應。為此，經典的成核和生長模型，尚不能提供足夠的信息。 在此，來自德國漢堡大學的Dorota Koziej等研究者報道，說明了現代X射線光譜和原位散射是如何在分子尺度和宏觀尺度之間架起橋梁，用于多面體形狀的CoO納米晶體的組裝研究。相關論文以題為“X-ray studies bridge the molecular and macro length
氣凝膠憑借低密度、高孔隙率、高比表面積、低導熱性和生物相容性等優點，在熱調節、能量收集和存儲、傳感器、環境修復和生物醫學應用等方面受到了眾多學者的關注。但力學性能一直是限制氣凝膠應用的重要因素，特別是從大應變壓縮中快速恢復形狀的能力對于各種應用至關重要，例如高靈敏度傳感器、水處理、隔熱和隔音、空氣過濾、
