近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所生物技術(shù)研究部生物分離與界面分子機(jī)制研究組（1824組）卿光焱研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備出一種具有可重構(gòu)性和機(jī)械變色性的高堅(jiān)固纖維素光子水凝膠。該制備方法為制造堅(jiān)固的光子水凝膠開辟了一條新途徑，其智能光學(xué)響應(yīng)特性有望擴(kuò)大仿生光子纖維素材料在醫(yī)療、能源和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

仿自然界Bouligand的結(jié)構(gòu)因其層間耦合和應(yīng)力傳遞機(jī)制，展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，啟發(fā)了抗沖擊生物塑料、陶瓷防護(hù)服和仿生合金復(fù)合材料等高性能材料的開發(fā)。盡管通過(guò)分子級(jí)設(shè)計(jì)和多尺度結(jié)構(gòu)優(yōu)化，仿生Bouligand結(jié)構(gòu)在工程塑性上已取得顯著進(jìn)展，但現(xiàn)有材料大多由單尺度脆性單元構(gòu)成，缺乏分級(jí)活性界面及自主響應(yīng)能力，導(dǎo)致其延展性和功能性受限。因此，需要突破現(xiàn)有設(shè)計(jì)瓶頸，開發(fā)同時(shí)具備多級(jí)活性界面、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力及高韌性的新型Bouligand結(jié)構(gòu)材料體系，以增強(qiáng)和優(yōu)化材料的剛性和延展性等。構(gòu)建能夠平衡微運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性的策略，從根本上打破脆性與韌性無(wú)法兼得的矛盾，進(jìn)而攻克阻礙仿生材料實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題有望解決上述問(wèn)題。

本工作中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)自組裝纖維素納米晶體（CNC），為Bouligand結(jié)構(gòu)提供了一種具有廣泛應(yīng)用前景的解決方案。該策略通過(guò)納米纖維滑動(dòng)和氫鍵重建，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)基質(zhì)空間排列的精確控制。這一轉(zhuǎn)變由水分子激活的氫鍵作用驅(qū)動(dòng)，形成了堅(jiān)固的光子水凝膠。所得的Bouligand結(jié)構(gòu)水凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，相較于初始水凝膠，其韌性值增加了5倍，達(dá)到155.5MJ/m³，拉伸性超過(guò)950%。此外，這些光子水凝膠展現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變色能力，可在紅色和藍(lán)色之間切換，并在可逆拉伸過(guò)程中保持穩(wěn)定的電靈敏度。光子水凝膠的成像界面持久耐用，可反復(fù)使用，僅需在水中浸泡5分鐘即可恢復(fù)活性。該工作為CNC的實(shí)際應(yīng)用開辟了新路線，有望應(yīng)用在可持續(xù)生物塑料、柔性電子基板、智能光子器件等領(lǐng)域。

近年來(lái)，卿光焱團(tuán)隊(duì)在納米纖維素的手性功能化研究中取得了系列進(jìn)展，前期開發(fā)了多模式、可轉(zhuǎn)換的手性光學(xué)防偽薄膜（Adv. Funct. Mater.，2022）、光子纖維素納米晶的柔性汗液傳感器（Small，2023），纖維素左手性圓偏振發(fā)光薄膜（Adv. Mater.，2024），以及協(xié)同變色和導(dǎo)電的纖維素納米晶光子貼片（Mater. Horiz.，2024）等。

相關(guān)研究成果以“Highly robust cellulose photonic hydrogels with reconfigurability and mechanochromism”為題，于近日發(fā)表在《今日材料》（Materials Today）上。該工作的第一作者是我所1824組博士研究生李瓊雅。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省興遼英才計(jì)劃、我所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.01.008