天然材料往往通過復雜的分層結構實現卓越的力學性能，例如蜘蛛絲憑借高度排列的蛋白質納米晶體和非晶區域的半晶纖維結構，實現了驚人的韌性和抗沖擊能力。然而，盡管源自可再生生物質的纖維素纖維通過分子排列和致密堆積展現出優異的拉伸強度，但其韌性通常低于50 MJ m?3，這嚴重制約了其在高端領域的應用。如何在保持高強度同時大幅提升纖維素纖維的韌性，一直是材料科學領域面臨的重大挑戰。

近日，安徽農業大學葉冬冬教授和浙江大學朱書澤副教授合作，受櫻桃樹皮螺旋納米結構的啟發，開發了一種仿生納米取向工程策略。通過可規模化生產的微流控紡絲系統，他們成功制備出具有雙軸取向結構的再生纖維素纖維。結合實驗表征和分子模擬，研究團隊證明這種雙軸納米結構能夠有效重新分布應力并抑制裂紋擴展，實現了41%的斷裂應變和553 MPa的拉伸強度，最終獲得184 MJ m?3的卓越韌性，其力學性能與天然蜘蛛絲處于同一數量級。相關論文以“Bioinspired nano-architecture for cellulose fibers with spider silk–like toughness”為題，發表在Nature Communications上。

從自然到仿生：櫻桃樹皮的啟示

研究團隊首先對比了白蠟樹皮和櫻桃樹皮的結構差異（圖1a、1b）。白蠟樹皮沿生長軸呈現單向排列，而櫻桃樹皮則具有獨特的二維螺旋彈簧結構，這一點通過二維小角X射線散射衍射圖案中赤道線和子午線的變形模式得到證實。值得注意的是，這種結構差異導致了截然不同的力學性能：具有二維取向結構的櫻桃樹皮斷裂應變高達73.9%，比單向排列的白蠟樹皮高出403%；韌性達到30.5 MJ m?3，提升了534%，同時保持了相當的機械強度（圖1c）。這些結果表明，工程化空間納米取向結構能夠顯著增強纖維素基材料的韌性。

微流控紡絲實現雙軸取向結構

基于上述發現，研究團隊利用可定制的微流控紡絲系統，通過精密納米取向策略賦予纖維徑向雙軸取向結構（圖1d）。中央通道引入交聯密度約為60-80 mol m?3的改性纖維素溶液，在室溫下表現出優異的可紡性。當流體前進時，依次通過由良溶劑和凝固溶劑組成的雙鞘流。良溶劑鞘流通過稀釋、剪切和湍流作用，使表面纖維素網絡重新定向為垂直于主流方向（周向），在溶膠相中建立雙軸取向，隨后在溶膠-凝膠轉變過程中固定。與傳統濕法紡絲的單向納米結構纖維相比（圖1e、1f），仿生纖維在表面和內層均呈現出垂直排列的納米結構和密集堆疊的納米纖維（圖1g、1h），與櫻桃樹皮的天然結構高度吻合。力學表征顯示，這些仿生纖維的韌性高達184 MJ m?3，顯著超越了濕法再生纖維素纖維、竹纖維、商用粘膠纖維、微流控紡絲纖維素納米纖維、木纖維和商用萊賽爾纖維等典型纖維素纖維（圖1i）。

圖1 | 微流控紡絲系統中仿生超韌纖維素纖維的制備。 a, 白蠟樹照片。b, 具有螺旋彈簧結構的櫻桃樹皮的照片、示意圖及二維小角X射線散射衍射圖案。c, 櫻桃樹皮與白蠟樹皮的應力-應變曲線。d, 仿生纖維在微流控紡絲系統中的制備過程示意圖，其中綠色為改性纖維素溶液的中央流，藍色為良溶劑（LiOH/尿素/水溶液）的鞘流，紅色為凝固劑（植酸溶液）的鞘流。e, 濕法紡絲傳統纖維素纖維的表面形貌。f, 濕法紡絲傳統纖維素纖維的軸向截面形貌。g, 仿生纖維的表面形貌。h, 仿生纖維的軸向截面形貌。i, 所得仿生纖維的韌性（184 MJ m?3）高于典型纖維素纖維的韌性。

流體動力學揭示雙軸結構形成機制

研究團隊結合計算流體動力學模擬、原位拉曼成像和原位激光共聚焦掃描，深入解析了微流控芯片內的流體動力學行為（圖2a、2b）。纖維素溶液在微流控芯片中的流動可分為三個不同階段：在中央通道中與良溶劑相互作用之前，改性纖維素溶液表現出相對較低的流速；引入良溶劑后，纖維素溶液發生稀釋和剪切排列，表面流速明顯低于內部，這是由于良溶劑的斜向流入產生剪切和擾動，導致表面網絡減速而內部流動加速；最后，與凝固溶劑合并后，中央溶液經歷進一步剪切加速和隨后凝膠化，最終獲得雙軸取向的凝膠纖維。拉曼光譜圖顯示，預交聯纖維素糊劑表面的纖維素網絡相對疏松，而內部區域更為致密，這種差異化的堆積密度對雙軸納米取向的建立至關重要。

進一步的結構表征顯示（圖2c），在傳統濕法紡絲體系中，無論纖維素濃度如何變化，濕紡凝膠纖維的外層始終表現出沿纖維軸的清晰單軸排列。與之形成鮮明對比的是，通過微流控紡絲系統制備的凝膠纖維表面呈現出明顯的周向排列的突出納米結構，這是微通道中鞘流引起的流動方向偏離所致。經空氣干燥后，這些突出特征致密地凝聚成纖維表面的周向納米結構，形成外層周向取向與內部軸向取向共存的獨特雙軸取向結構。原子力顯微鏡DMT模量分布圖顯示，仿生纖維素纖維橫截面的內外區域存在明顯的模量差異：外層的彈性模量約為4.0 GPa，顯著低于中心區域的約8.0 GPa（圖2d）。二維同步輻射SAXS分析進一步證實，傳統濕紡纖維僅表現出赤道方向的衍射圖案，表明其為單軸取向；而仿生纖維在赤道和子午線方向均顯示出明顯的衍射特征，證實了其雙軸取向結構（圖2e）。

圖2 | 仿生纖維中雙軸取向納米結構的形成與表征。 c, 不同條件下制備的再生纖維素纖維的掃描電鏡圖像。d, 通過原子力顯微鏡測量的仿生纖維素纖維橫截面的Derjaguin-Müller-Toporov（DMT）模量分布圖，包括從外部點（i）到內部點（ii）的模量分布曲線。e, 傳統濕法紡絲纖維素纖維與仿生纖維的二維小角X射線散射圖案、相應的方位角積分曲線及計算得到的取向因子。

力學性能顯著提升

系統力學測試表明，與傳統濕紡纖維素纖維相比，仿生纖維的斷裂應變增加了175%，達到41%；韌性提高了210%，達到184 MJ m?3；斷裂強度也從473 MPa提升至553 MPa（圖3a）。這種優異的韌性主要歸因于仿生纖維內部獨特的雙軸取向納米結構——纖維表面的周向納米排列促進了拉伸變形過程中更有效的應力傳遞，通過裂紋擴展等機制實現顯著的能量耗散。與竹纖維、萊賽爾纖維、粘膠纖維、殼聚糖纖維等一維取向生物質纖維相比，仿生纖維在斷裂應變和韌性方面均表現優異（圖3b、3c）。

分子模擬揭示增韌機理

為闡明納米取向對力學性能的作用機制，研究團隊對簡化的單軸和雙軸取向纖維素鏈束分子模型進行了分子動力學模擬（圖3d）。在單軸取向模型中，破壞主要通過沿纖維軸的廣泛鏈間滑移發生，在模擬應力-應變曲線上表現為明顯的鋸齒狀特征。相比之下，雙軸取向模型（周向排列的表面鏈包裹軸向取向的芯層）在拉伸加載時，周向表面鏈逐漸向拉伸軸方向重新取向，通過滑移誘導的變形耗散能量，從而延遲災難性破壞。定量分析顯示，與單軸模型相比，雙軸結構使斷裂應變增加25%，斷裂強度提高21%，韌性提升59%（圖3e）。

圖3 | 仿生纖維的力學性能與變形機制研究。 a, 仿生纖維與濕法紡絲傳統纖維的拉伸應力-應變曲線，附有纖維斷裂過程中裂紋擴展的示意圖（左下：濕法紡絲傳統纖維；右上：仿生纖維）。b, 仿生纖維與典型纖維素纖維（Lyocell纖維、木材纖維、微流控紡CNF纖維、粘膠纖維、竹大纖維、濕法再生纖維）的拉伸應力-應變曲線。c, 仿生纖維與其他典型纖維素纖維的韌性與拉伸應變對比，氣泡代表數值范圍。d, 單軸與雙軸取向纖維素分子鏈束的分子動力學模擬，兩種分子鏈束在拉伸下的結構演化快照。白色鏈和彩虹色鏈分別代表環向纖維素鏈和軸向纖維素鏈。e, 兩種纖維素分子鏈束的模擬應力-應變曲線。f, 仿生纖維與典型天然纖維及合成纖維的韌性對比。BC纖維：細菌纖維素纖維；RC纖維：再生纖維素纖維；TDCF：扭轉脫乙酰化纖維素纖維。誤差條代表5次獨立實驗的標準差。g, 四種典型纖維素纖維綜合性能（韌性、強度、可織性、可規模化性、成本）的雷達圖對比。

綜合性能競爭力與紡織應用

得益于這種納米取向工程，仿生纖維在韌性方面展現出對有機纖維、無機纖維以及天然和再生纖維的廣泛競爭優勢，正逐步接近天然蜘蛛絲的力學性能（圖3f）。同時，與萊賽爾纖維、竹纖維和纖維素納米纖維等傳統纖維素纖維相比，仿生纖維在成本效率、加工時間、可制造性以及機械強度和韌性方面均顯示出顯著優勢（圖3g）。更重要的是，這些優異的力學性能成功地從單根纖維拓展到了織物。研究團隊利用商業紡織機械成功編織出約15厘米×90厘米的仿生織物樣品（圖4a）。落錘沖擊測試表明，仿生織物的沖擊持續時間約為5.5秒，變形階段長達12秒，且無任何明顯的永久變形或可見損傷，而商用棉、Modal、銅氨和粘膠織物的沖擊持續時間均不足3秒（圖4b、4c）。在更嚴酷的測試條件下，仿生織物的最大破壞力可達607 N，斷裂能高達1.75 J，顯著超越商用紡織品。分子動力學模擬進一步揭示了仿生織物在壓痕加載下的優異力學行為（圖4d、4e、4f）。

圖4 | 仿生織物的制備與性能評估。 a, 仿生織物的制備：仿生織物制造過程照片（左）；仿生織物（15 cm × 90 cm）照片（右）。b, 仿生織物與常規纖維素基織物（棉織物、銅氨纖維織物、粘膠織物、莫代爾織物）的抗沖擊性能：纖維素織物沖擊測試示意圖（左）；沖擊過程中織物的時間-力曲線（中）；沖擊過程中織物的持續時間與斷裂能量（右）。誤差條代表3次獨立實驗的標準差。c, 沖擊后織物的照片。d, 仿生織物與傳統織物在沖擊誘導力學響應中的分子動力學模擬示意圖（上：傳統織物；下：仿生織物）。e, 仿生織物與傳統織物在相同壓痕力下的模擬力-位移曲線。f, 每種模型中的單束纖維的形變軌跡（側視圖和橫截面圖，不同顏色代表不同鏈）。白色鏈和彩虹色鏈分別代表環向纖維素鏈和軸向纖維素鏈。

總結與展望

該研究開發了一種仿生納米取向策略，通過微流控紡絲系統實現了具有雙軸取向結構的再生纖維素纖維的可規模化制備。實驗表征和分子動力學模擬共同證明，這種雙軸結構在變形過程中能有效重新分布和分散應力，使纖維在保持553 MPa高拉伸強度的同時，將延展性顯著提升至41%，最終實現了184 MJ m?3的卓越韌性。目前實驗室規模的研究在復雜徑向結構控制方面相對于成熟的萊賽爾工藝存在一定的產量權衡，但研究團隊提出了兩條通向工業化規模應用的可行路徑：一是實施多通道紡絲陣列，二是在保持精細流體動力學的同時優化紡絲原液流變性以實現更高速度的擠出。這項工作為納米取向在纖維力學中的作用提供了基礎性見解，為可持續、高性能纖維素纖維在紡織、汽車和航空航天等領域的應用鋪平了道路，推動了環境友好型高機械性能材料的發展。