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植物秸稈是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的天然生物質(zhì)材料。田里的麥稈、玉米稈，路邊的雜草莖稈，看似普通，其實(shí)在這些植物細(xì)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(dá)上千億噸，就像一座取之不盡的綠色寶庫(kù)，是支撐社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要綠色環(huán)保原料。

長(zhǎng)期以來(lái)，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(lèi)材料強(qiáng)度高、用途廣泛。但大家慢慢發(fā)現(xiàn)，植物細(xì)胞壁本身?yè)碛袕?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(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題隨之浮現(xiàn)：納米纖維素能否具備更具實(shí)用價(jià)值的片狀形態(tài)？

近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子團(tuán)隊(duì)成功破解了這一難題。他們從分子層面入手，對(duì)天然纖維素進(jìn)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(shí)了這種二維納米結(jié)構(gòu)確實(shí)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(kāi)發(fā)，打開(kāi)了一扇全新的大門(mén)。

植物細(xì)胞壁具有層層疊加、相互包裹的復(fù)雜空間層級(jí)。纖維素分子之間通過(guò)氫鍵形成緊密的聚集網(wǎng)絡(luò)。此前，實(shí)現(xiàn)纖維素高值化利用的核心難點(diǎn)在于，無(wú)法精準(zhǔn)、適度地“拆開(kāi)”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(huì)破壞二維納米結(jié)構(gòu)，根本無(wú)法直接提取纖維素納米片。而用機(jī)械力粉碎的無(wú)差別施力，也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shuō)，想要精準(zhǔn)“拆開(kāi)”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(tuán)隊(duì)就換了個(gè)思路。他們發(fā)現(xiàn)，一類(lèi)被稱(chēng)為“離子液體”的物質(zhì)，極具潛力。這類(lèi)液體的陰陽(yáng)離子可自由組合，通過(guò)調(diào)節(jié)組合方式能夠改變自身離子強(qiáng)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(guó)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(qiáng)制性共價(jià)連接模式，設(shè)計(jì)合成了新型固體催化劑。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(guò)調(diào)控二者相互作用獲得適宜的離子強(qiáng)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(kāi)”聚集結(jié)構(gòu)，既不會(huì)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(lái)。

“這個(gè)技術(shù)還有兩個(gè)核心優(yōu)勢(shì)，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?qǐng)?bào)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(xì)菌纖維素等多種類(lèi)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(duì)纖維素多層級(jí)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知——明確證實(shí)了天然纖維素中，確實(shí)存在原生二維片狀結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這項(xiàng)成果對(duì)推動(dòng)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(lái)，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(gè)領(lǐng)域，真正實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。

（受訪(fǎng)單位供圖）