功能纖維在社會中無處不在，應用于紡織品、建筑領域、溶液凈化和儲能/轉換等。其中，具有高力學強度的多功能纖維，使得智能紡織品、機器人和生物醫學的先進應用成為可能。基于此，美國馬里蘭大學胡良兵教授和李騰教授（共同通訊作者）等人報道了一種省時和低成本的一步脫膠策略，以公斤為單位，從快速生長且豐富的天然草中制造力學強度高、硬度高、對濕度敏感的智能纖維素纖維。需注意，通過木質素和半纖維素基質粘合在一起，形成天然草的整體結構。在一步脫膠過程中，木質素和半纖維素被化學去除，使得細管和實質細胞的有效分離，從而從天然草中收獲纖維素纖維。所得到的纖維素纖維在微觀和納米尺度上都表現出由完整的單向纖維素原纖維組成的致密形態，與天然草的多孔和非均質結構明顯不同。

具有密集排列和單向的纖維結構的纖維，具有很強的纖維間相互作用（氫鍵和范德華力），使得纖維素纖維的抗拉強度高達~0.9 GPa，楊氏模量高達72 GPa，分別是原始草的13倍和14倍。此外，受天然植物可拉伸卷須的啟發，作者通過將纖維素纖維編程成精確設計的彈簧狀結構，開發了一種濕度響應智能執行器。這種基于纖維素纖維的智能彈簧式執行器可以通過控制外部環境濕度可逆地提升和釋放負載（100倍于自身重量）。這些穩固而智能的纖維素纖維可以以極低的成本可持續地制造，并且是完全可生物降解的，與一些商業聚合物和金屬基纖維相比，在軟機器人、響應紡織品和能源發電等有前途的領域具有環境和經濟優勢。

圖1.強韌且智能的纖維素纖維

相關工作以《Kilogram-scale production of strong and smart cellulosic fibers featuring unidirectional fibril alignment》為題發表在最新一期《National Science Review》上。

通過去除分離的細管和實質細胞，可以從天然草中收獲剩余的豐富的纖維素纖維。對比天然草，所得纖維素纖維的纖維素含量較高，為85%，半纖維素（7.2%）和木質素（2.3%）含量較低。所制備纖維素纖維可以長達~1 m，其結構致密，由規則堆疊和緊密結合的纖維素微纖維組成。在更精細的尺度上，作者發現許多平行于纖維軸方向排列的納米原纖維構成了微原纖維。此外，所得到的纖維素纖維具有高達1.31 g cm^-3的密度，比天然草高3.7倍，甚至接近納米纖維素的密度（1.5 g cm^-3）。同時，脫膠處理不會改變草纖維素I的晶體結構。

圖2.纖維素纖維的合成和結構表征

拉伸試驗的應力應變曲線顯示，纖維素纖維比天然草具有更高的最大拉力和相似的斷裂伸長率。其中，纖維素纖維的平均抗拉強度高達0.9 GPa，楊氏模量高達72 GPa，分別是初始天然草的13倍和14倍。同時，纖維素纖維在微觀和納米尺度上的緊密堆疊和互鎖，加強了界面鍵合（范德華力和氫鍵等）。此外，致密且單向的原纖維可以有效地傳遞和分散應力，從而使纖維素纖維具有超強的機械性能。值得注意的是，纖維素纖維同時具有高比強度和比模量的顯著優勢，遠高于先前報道的纖維基材料。

圖3.纖維素纖維的力學性能

作者簡單地將潮濕的纖維素纖維纏繞在金屬棒上，然后干燥以去除水分。將其從金屬棒中釋放出來后，纖維素纖維保持彈簧形態，可以承受較大的伸長。通過設計水化和脫水程序，可通過調節纖維彈簧的剛度來精確控制纖維彈簧的位移。當纖維素纖維彈簧在其線彈性極限內增加一定的載荷時，根據胡克定律，纖維素纖維彈簧伸長到一定位置達到力平衡。在水化過程中，纖維素纖維的剛度隨著濕度的變化而降低，導致彈簧進一步拉長以適應現有的負載并再次達到力平衡。在脫水過程中，纖維素纖維彈簧的剛度恢復到其原始值，從而降低其伸長率，并回到初始平衡位置。

值得注意的是，當拉伸至纖維彈簧執行器的最大標稱應變為60%時，纖維素纖維中的最大主應變僅為0.259%，與其在干燥狀態下1.23%的破壞極限相距甚遠。當負載為纖維素纖維重量的100倍時，水化驅動的釋放行為的響應時間為45 s，脫水誘導的提升行為的響應時間為5 s。纖維素纖維致動器的水合/脫水釋放/提升行為的響應時間差異可歸因于致動器在50 °C下工作，有利于其脫水過程。在40%的工作濕度下，當負載為纖維素纖維重量負載的10倍時，纖維素纖維驅動器的最大標稱應變可達到75%。在100倍纖維素纖維重量的負載下，驅動器輸出5.2 kJ m^-3的能量密度和35.7 J kg^-1的功容量。此外，纖維素纖維驅動器可以制成不同的形狀，包括圓形和六角形結構。

圖4.基于纖維素纖維的濕度響應的智能彈簧驅動器

Kilogram-scale production of strong and smart cellulosic fibers featuring unidirectional fibril alignment. National Science Review, 2024.