聂双喜教授最新Nature子刊:超弹性纤维素摩擦电气凝胶

01 研究背景 开发兼具高弹性与高强度的轻质多孔气凝胶, 对航空航天, 国防及新能源等领域具有重要意义. 弹性保障材料在复杂环境中的循环使用性能, 强度则决定其结构稳定性与服役寿命. 天然纤维素纳米纤维(CNF)由结晶区与非结晶区构成, 结晶区内有序排列的分子提供高强度, 非结晶区则赋予柔性, 使其成为构筑高性能气凝胶的理想原材料. 然而, 气凝胶中弹性与强度之间存在内在矛盾, 高刚度虽提升强度却削弱弹性, 而柔性增强则易降低结构稳定性. 同时, CNF表面富含羟基, 易形成不可逆氢键, 导致压缩后结构黏连与塌陷, 限制其弹性恢复能力. 因此, 实现纤维间相互作用的精准调控, 以兼顾超弹性与高强度, 仍是关键挑战. 02 文章概述 近日, 聂双喜教授课题组提出了一种基于分子链重排的拓扑异构化策略, 用于同步提升纤维素摩擦电气凝胶的弹性与强度. 该策略通过乙二胺与纤维素羟基的竞争性氢键作用重构纤维素网络, 削弱不可逆链间束缚并暴露活性位点. 进一步引入气相介导的原位界面聚合与共价交联, 构建具有能量耗散功能的拓扑网络, 实现应力多级分散与可逆调控. 同时, 网络重构诱导晶型转变与官能团重排, 调控表面电势与电荷转移行为, 增强界面摩擦电响应, 并赋予材料优异的弹性与环境稳定性. 该项成果以题为“Topological Isomerization Unlocks Exceptional Elasticity and Strength of Cellulosic Triboelectric Aerogels”发表在期刊上. 2024级博士研究生罗启观为第一作者, 聂双喜教授为通讯作者, 高凤, 刘喆颖, 刘涛, 张松, 罗斌, 蔡晨晨, 王金龙, 刘艳华, 白亚宇, 于康等参与研究, 广西大学为唯一完成单位. 03 图文导读 1. 纤维素气凝胶拓扑异构化 本研究提出拓扑异构化策略, 实现了纤维素气凝胶超弹性与高强度的协同调控. 无水乙二胺渗透CNF-Ⅰ气凝胶网络, 通过竞争性氢键作用破坏原有纤维素氢键结构并诱导晶型向CNF-Ⅲ转变, 同时保持三维多孔结构稳定. 该过程引起分子链重排并暴露更多活性羟基, 在保留一定结晶度与纤维强度的基础上提高反应活性. 进一步通过原位聚合与交联构建具有拓扑网络的气凝胶(CNF-Ⅲ@Si), 实现氢键屏蔽与应力耗散协同调控, 从而显著提升材料的弹性恢复能力与力学强度, 并赋予其稳定的摩擦电输出性能. 该策略克服了轻质多孔材料在超弹性, 高强度与超低密度之间难以兼顾的局限性. 图1. 通过拓扑异构化制造超弹性和高强度的摩擦电气凝胶 2. 结晶异构化的演变过程 结晶异构化的核心在于通过分子链重排提升纤维素羟基的可及度与反应活性. 相比CNF-Ⅰ, CNF-Ⅲ中片内氢键显著减少, 削弱了对伯羟基的束缚, 同时分子链柔性增强, 使羟基具有更高自由度. 构象由以tg, gg为主转变为以gt为主, 进一步提升羟基活性. 此外, 适度保留的片间氢键有助于维持纤维结构强度. 该过程在不破坏宏观多孔结构的前提下, 实现氢键网络弱化与分子链重排协同作用, 从而显著提高羟基暴露程度与界面反应能力. 图2. 纤维素结晶异构化增强羟基的可及度 3. 原位聚合和交联构建拓扑网络 基于Ⅲ型纤维素气凝胶较高的羟基可及度, 通过气相介导的原位界面聚合与交联构建均匀致密的聚合物拓扑网络. 甲基三甲氧基硅烷(MTMS)在孔壁表面扩散并发生水解与缩聚反应, 在活性羟基位点上形成稳定的Si-O-Si共价连接, 实现从分子尺度到界面的连续网络构筑. 相比之下, 低羟基可及度限制了聚合反应的连续性, 而高羟基密度促进网络在孔壁及连接节点的均匀覆盖. 该过程不仅有效屏蔽纤维间氢键作用, 还通过拓扑结构实现应力传递与耗散的协同调控, 从而为材料同时获得优异弹性与强度提供结构基础. 图3. 气相介导的原位界面聚合与共价交联 4.  拓扑网络屏蔽氢键改善机械性能 CNF-Ⅰ气凝胶首次压缩后发生明显塑性变形, 最大压缩应力为81. 6 kPa. 有限元模拟表明, 应力主要集中于孔壁连接处, 表明结构稳定性对力学性能至关重要. 相比之下, CNF-Ⅲ@Si气凝胶表现出更高强度和超弹性, 压缩强度达180. 6 kPa, 并在循环压缩20, 000次后仍保持优异的结构稳定性和力学响应. 即使在多次循环后, 气凝胶表现出高模量(2. 0 MPa)和低能量耗散系数(0. 464). 此外, 气凝胶在-196 ℃和200 ℃极端条件下仍保持压缩恢复性, 并在冲击测试中实现快速回弹, 展现出优异的弹性恢复与抗冲击能力. 图4. 气凝胶的机械性能 5. 基于拓扑异构化的弹性摩擦电气凝胶 基于气凝胶优异的机械稳定性与快速恢复特性, 将其与全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)组装为摩擦纳米发电机(TENG). 通过密度泛函计算分析CNF-Ⅲ@Si分子简化模型的电势分布, 带隙及福井函数, 从原子层面揭示电荷的产生与转移机制. 得益于CNF-Ⅲ@Si的强给电子能力和电正性, 器件表现出优异的摩擦电输出性能. 在25 ℃下, CNF-III@Si气凝胶的TENG输出性能(表面电荷密度, 输出电流和电压)均高于CNF-I@Si, 在200 ℃条件下输出电压仍保持约41. 6 V. 器件响应时间和恢复时间分别为71 ms和69 ms, 体现出快速响应特性. 在12, 000次循环后输出信号变化率小于0. 5 %, 并在58-98 %湿度范围内保持稳定, 展现出良好的稳定性与环境适应性. 图5. 气凝胶的摩擦电性能 04 结论 本研究提出了一种拓扑异构化策略, 用于制备兼具超弹性和高强度的纤维素摩擦电气凝胶. 通过胺处理工艺重构纤维素氢键网络, 在提升纤维素气凝胶羟基可及度的同时保持纤维刚度. 进一步在纤维表面原位聚合并构建拓扑网络, 有效避免纤维间的黏附, 在维持强度的同时屏蔽氢键相互作用, 解决了弹性和强度之间的固有矛盾. 此外, 拓扑异构化赋予气凝胶稳定的供电子能力, 显著增强气凝胶摩擦电输出性能的稳定性. 原文链接:https://doi. org/10. 1038/s41467-026-71965-0