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從秸稈里“淘”出新材料
2026-04-22 15:20:01
來源:科技日報  作者: 夏凡 通訊員 黃莎莎

植物秸稈是我們?nèi)粘I钪谐R姷奶烊簧镔|(zhì)材料。田里的麥稈、玉米稈,路邊的雜草莖稈,看似普通,其實在這些植物細胞壁中藏著一種“隱形寶藏”——纖維素。作為自然界產(chǎn)量最高的非糧多糖,纖維素每年全球產(chǎn)量可達上千億噸,就像一座取之不盡的綠色寶庫,是支撐社會可持續(xù)發(fā)展的重要綠色環(huán)保原料。

長期以來,科研人員主要采用化學(xué)方法,將纖維素拆解成一維納米材料。這類材料強度高、用途廣泛。但大家慢慢發(fā)現(xiàn),植物細胞壁本身擁有復(fù)雜而豐富的空間結(jié)構(gòu),就像一層層精心搭建的“積木”,這讓纖維素有可能形成比一維更有用的多維結(jié)構(gòu)。于是,一個關(guān)鍵的科學(xué)問題隨之浮現(xiàn):納米纖維素能否具備更具實用價值的片狀形態(tài)?

近日,中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子團隊成功破解了這一難題。他們從分子層面入手,對天然纖維素進行精準(zhǔn)解構(gòu),直接從中提取出二維片狀納米材料,這不僅獲得了優(yōu)質(zhì)材料,還明確證實了這種二維納米結(jié)構(gòu)確實存在。相關(guān)研究成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《可持續(xù)發(fā)展材料》上,為綠色新材料的開發(fā),打開了一扇全新的大門。

植物細胞壁具有層層疊加、相互包裹的復(fù)雜空間層級。纖維素分子之間通過氫鍵形成緊密的聚集網(wǎng)絡(luò)。此前,實現(xiàn)纖維素高值化利用的核心難點在于,無法精準(zhǔn)、適度地“拆開”這些纖維素分子間的氫鍵連接,導(dǎo)致纖維素的精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)拆解轉(zhuǎn)化始終局限于一維納米纖維的范疇。

傳統(tǒng)的纖維素酶水解法與酸性化學(xué)催化劑法,往往會破壞二維納米結(jié)構(gòu),根本無法直接提取纖維素納米片。而用機械力粉碎的無差別施力,也難以實現(xiàn)對纖維素結(jié)構(gòu)的選擇性斷裂,難以獲得大尺寸的二維納米片。可以說,想要精準(zhǔn)“拆開”纖維素的聚集結(jié)構(gòu),難度極大。

既然傳統(tǒng)方法行不通,科研團隊就換了個思路。他們發(fā)現(xiàn),一類被稱為“離子液體”的物質(zhì),極具潛力。這類液體的陰陽離子可自由組合,通過調(diào)節(jié)組合方式能夠改變自身離子強度,從而剛好能適配纖維素不同層次結(jié)構(gòu)的解離需求。

基于這一發(fā)現(xiàn),中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員那海寧提出了“兩性離子復(fù)合固體催化劑構(gòu)建及纖維素選擇性催化解聚”策略。研究人員采用強制性共價連接模式,設(shè)計合成了新型固體催化劑。簡單來說,就像是打造了一把“精準(zhǔn)剪刀”:它把弱酸性與弱堿性單元均勻分散排列,通過調(diào)控二者相互作用獲得適宜的離子強度,再加上磷鎢酸的輔助,形成一種全新的解聚技術(shù)。用這把“剪刀”解離纖維素,就像在特定層面上溫和地“剪開”聚集結(jié)構(gòu),既不會破壞纖維素本身的分子結(jié)構(gòu),又能完整把二維片狀納米材料提取出來。

“這個技術(shù)還有兩個核心優(yōu)勢,一是反應(yīng)條件溫和、不用高溫高壓,二是其轉(zhuǎn)化效率高,能充分利用生物質(zhì)材料?!蹦呛幐嬖V科技日報記者,更值得一提的是,這種方法具有廣泛的普適性,適用于棉纖維素、木纖維素、粘膠纖維素、細菌纖維素等多種類型纖維素的二維納米片提取。

這一科研突破,不僅建立了一種綠色高效的二維納米材料提取技術(shù),更重要的是,它深化了我們對纖維素多層級結(jié)構(gòu)的認(rèn)知——明確證實了天然纖維素中,確實存在原生二維片狀結(jié)構(gòu)。團隊負(fù)責(zé)人朱錦研究員認(rèn)為,這為纖維素向高性能納米材料轉(zhuǎn)化及其新質(zhì)應(yīng)用拓展提供了全新思路。

從長遠來看,這項成果對推動綠色新材料研發(fā)、提升生物質(zhì)資源高效利用水平、助力可持續(xù)發(fā)展,都有著十分重要的意義。未來,或許我們身邊的秸稈,就能變成高端納米材料,應(yīng)用在各個領(lǐng)域,真正實現(xiàn)“變廢為寶”。

(受訪單位供圖)

編輯:韓夢晨
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