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植物秸稈是我們日常生活中常見的天然生物質材料。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雜而豐富的空間結構，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構。于是，一個關鍵的科學問題隨之浮現(xiàn)：納米纖維素能否具備更具實用價值的片狀形態(tài)？

近日，中國科學院寧波材料技術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解構，直接從中提取出二維片狀納米材料，這不僅獲得了優(yōu)質材料，還明確證實了這種二維納米結構確實存在。相關研究成果發(fā)表在學術期刊《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。此前，實現(xiàn)纖維素高值化利用的核心難點在于，無法精準、適度地“拆開”這些纖維素分子間的氫鍵連接，導致纖維素的精準結構拆解轉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催化劑法，往往會破壞二維納米結構，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)對纖維素結構的選擇性斷裂，難以獲得大尺寸的二維納米片。可以說，想要精準“拆開”纖維素的聚集結構，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，極具潛力。這類液體的陰陽離子可自由組合，通過調節(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構的解離需求。

基于這一發(fā)現(xiàn)，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員那海寧提出了“兩性離子復合固體催化劑構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“精準剪刀”：它把弱酸性與弱堿性單元均勻分散排列，通過調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。用這把“剪刀”解離纖維素，就像在特定層面上溫和地“剪開”聚集結構，既不會破壞纖維素本身的分子結構，又能完整把二維片狀納米材料提取出來。

“這個技術還有兩個核心優(yōu)勢，一是反應條件溫和、不用高溫高壓，二是其轉化效率高，能充分利用生物質材料。”那海寧告訴科技日報記者，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，更重要的是，它深化了我們對纖維素多層級結構的認知——明確證實了天然纖維素中，確實存在原生二維片狀結構。團隊負責人朱錦研究員認為，這為纖維素向高性能納米材料轉化及其新質應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，應用在各個領域，真正實現(xiàn)“變廢為寶”。

（受訪單位供圖）