一根竹子，发了一篇顶刊AM，超强！

在全球迈向碳中和的背景下，结构材料既需要高力学性能，又必须兼顾低环境代价。碳纤维和玻璃纤维增强复合材料支撑了现代基础设施，却依赖化石原料和能耗密集的加工过程，碳强度高、可回收性有限。天然竹材被视为“生态奇迹”，储量丰富、再生周期短，其纤维素纤维本征强度高达1.58–2.22 GPa，但块体竹材的拉伸强度仅120–200 MPa，这种巨大的尺度依赖落差源于竹材细胞壁内部异质结构导致的载荷传递效率低下。现有竹基复合材料多依赖解构天然结构再以合成树脂致密化，虽能提高块体强度，却绕开了细胞壁架构，未解决载荷传递的根本问题，强度提升往往以韧性和能量耗散为代价。即便在保留层级结构的前提下引入纳米颗粒，其作用也多被解释为纳米填充或局部界面增强，对重构本征载荷传递网络的潜力认识不足。

针对上述难题，中国林业科学研究院木材工业研究所付宗营副研究员‌、北京理工大学卢赟副教授合作提出一种超分子纳米增强策略：让纤维素纳米晶（CNC）渗入竹材细胞壁，促进取向纤维素骨架内界面氢键网络的重组，将结构不连续转化为连续承载支架，从而增强纤维间应力传递并使力学响应跨尺度均匀化。 所得材料拉伸强度达0.98 GPa、杨氏模量达52.7 GPa，比强度可与多种合成纤维材料媲美，而碳强度比碳纤维低至两个数量级。该工作展示了将丰富生物质转化为高性能结构材料的可规模化路径，实现了力学性能与碳强度的解耦。相关论文以“Scalable Gigapascal Strength Bamboo Veneers via Nanocellulose Reinforcement”为题，发表在Advanced Materials上。

研究团队首先确立了CB的制备路线与纳米增强机制。竹筒被旋切成0.3 mm超薄单板，经去半纤维素处理扩大细胞壁内细胞间隙、造出可及纳米孔隙，再经热压致密化使单板厚度近乎减半、塌陷细胞腔并消除大部分微孔与大孔；CNC凭借高比表面积和丰富羟基渗入壁层及相邻微纤丝间隙，与天然纤维素形成氢键，热压过程中细胞壁塌陷使CNC进一步压实，充当锚定于本征缺陷和纤维间间隙的纳米楔与纳米钉，促进CNC重排并与纤维素互锁，同时增加界面氢键的密度与深度（图1a）。该策略可规模化制备2米长CB卷材，拉伸强度0.98 GPa、杨氏模量52.7 GPa（图1d）；CB单板可像碳纤维织物一样作为基材，按准各向同性铺层、浸渍生物基环氧树脂并热压固化制成CBRP，面向风力发电、体育器材、交通运输、无人机等场景（图1b），与CFRP和GFRP相比在比强度、可持续性、可降解性、可回收性和成本上优势显著（图1c），并具备优异塑性可用作超结构材料基体（图1e）。

图1 CB的制备、纳米尺度增强机制、可规模化制造、演示应用场景及比较优势。（a）CB经CNC渗入与致密化制备及其增强机制的示意图；（b）CB的卷对卷制造及CBRP在风力发电、体育器材、交通运输、无人机中的应用场景；（c）CBRP与CFRP、GFRP在比强度、可持续性、可降解性、可回收性和成本方面的雷达图比较；（d）展示大尺寸CB的数字照片；（e）CBRP具有优异塑性，可用作超结构材料的基体。

结构表征进一步验证了上述机制。化学预处理选择性脱除半纤维素，使FTIR中1732 cm⁻¹的C═O伸缩带消失、2870 cm⁻¹拉曼带消失、1335 cm⁻¹拉曼信号减弱、XPS中C═O峰削弱，并在细胞壁内生成大量10–50 nm介孔；CNC浸渍与致密化后细胞壁架构大幅重构，介孔几乎消除，1335 cm⁻¹拉曼带重现且二维拉曼映射显示CNC均匀分布（图2a–c）。FTIR羟基区解卷积显示约3280 cm⁻¹强氢键羟基组分递增（图2d），XPS O 1s中C─O组分向高结合能移动且峰宽收窄，表明纤维素暴露增加、氢键作用增强且局部化学环境更均匀（图2e）；XRD显示对应纤维素链轴向排列的（200）晶面占比从NB的39.0%升至CB的43.4%，结晶度相对NB提高31%、相对DB提高5.5%（图2f）。WAXS表明天然微纤丝取向基本保留，但CB方位角分布更宽更弱（图2i）；SAXS中NB呈各向异性纺锤形图案（图2g,h），CB转为各向同性圆形轮廓（图2j,k），特征散射峰从q=0.03569 Å⁻¹移至0.01269 Å⁻¹，对应特征间距由17.6 nm增至49.5 nm，反映随机分布CNC域重组了原有取向微纤丝排列并引入新的纳米结构特征。这些结果共同表明，CB通过保留的取向纤维素支架与三维互连CNC网络的层级整合实现纳米增强，方向有序与各向同性纳米连接的耦合既调和了局部结构异质性，也转化为宏观力学性能的提升。

图2 CB的结构演变与纳米增强机制。（a–c）NB（a）、DB（b）和CB（c）的照片与光学显微镜图像（横截面方向）；（d）FTIR羟基区（3800–3000 cm⁻¹）的峰解卷积；（e）NB、DB和CB的XPS O 1s谱；（f）NB、DB和CB的结晶度；（g）NB的二维SAXS图案与（h）拟合曲线；（j）CB的二维SAXS图案与（k）拟合曲线；（i）NB和CB的WAXS图案。

力学测试直接印证了增强效果。仅致密化的DB拉伸强度较NB提高三倍至154±19.9 MPa，而先引入CNC再致密化的CB最强纵向拉伸强度达980.74 MPa、杨氏模量52.7 GPa，分别为NB的10.56倍和3.76倍（图3b），比拉伸强度达1486.3 MPa·cm³·g⁻¹，高于近年多数脱木素致密竹材，并超越NB、聚合物、部分薄膜、常见合金及部分合成纤维材料（图3a）。动态力学分析显示CB在测量温区内保持更高储能模量，200°C以上仍保有可观刚度，损耗模量升高且tan δ峰向高温移动，表明分子运动受限、界面结合增强（图3c）；AFM模量映射显示CB细胞壁刚度分布均匀化，局部模量较NB提高3.6倍（图3d–f）。CB可绕4 mm直径圆柱弯曲不断裂，沿250微米厚亚克力薄膜边缘可180°折叠不断，而NB完全断裂；SEM与断口分析表明CB的致密层状架构通过受控层间滑移耗散能量、抑制灾难性失效，CNC填充结构空隙并强化基体，稳健氢键网络增强界面内聚、抑制纤维拔出，使断裂模式由界面脱粘转向基体主导失效（图3g,h）。作为策略普适性的验证，BLG-AFs和纳米TiO₂作为替代纳米增强体均产生类似增强效果，BLG-AFs增强竹材拉伸强度高达1.19 GPa，超过此前报道的约1.0 GPa先进致密竹材水平。

图3 CB的力学性能与断裂行为。（a）CB单板、NB、聚合物、部分薄膜、常见合金及部分合成纤维材料的比模量与比强度图；（b）NB、DB、致密化DB和CB的拉伸强度与杨氏模量比较；（c）CB和NB的储能模量与损耗模量；（d,e）NB（d）和CB（e）横向细胞壁截面的AFM二维模量映射；（f）NB和CB代表性细胞壁的模量线剖面；（g,h）NB和CB折叠与断裂的SEM显微图像。

细胞壁层面的纳米增强成功转化为块体结构性能。CB组装成准各向同性层压复合材料CBRP后，拉伸强度达201 MPa、约为NB的四倍（图4b），弯曲强度与模量分别达387.2±3.0 MPa和24±0.4 GPa，较NB提高145%和三倍（图4c）；CBRP比强度338.83 N·m·g⁻¹、比模量23933 N·m·g⁻¹，整体超越GFRP（图4a）。有限元模拟的应力-应变曲线与实验数据吻合良好，三点弯曲下CBRP应力水平更高、应力梯度更平滑，其总功和塑性耗散能分别为4.32 J和3.04 J，较NB的1.93 J和1.30 J翻倍以上，证明增强的界面结合与准各向同性架构协同提升了载荷传递效率和损伤容限（图4d）。CBRP硬度达90 Shore D，为NB的1.62倍，超过GFRP和CFRP（图4f），并被加工成刀具成功切开苹果（图4e）；CBRP还具备优异可成型性，用于运动鞋部件时在两次加载阶段均实现最高减震，同时最大变形维持在24 mm、低于或相当于CFRP体系（图4g,i），满足碳板跑鞋对刚度支撑与缓震稳定性的关键要求（图4h）。材料的环境稳定性同样改善：25°C水中浸泡5天厚度膨胀仅约24%，表面水接触角从NB的0°增至约70°，主降解峰在344°C、高温下变形可忽略，200°C加热10分钟后保持原貌。

图4 CBRP的力学性能及在体育器材中的应用演示。（a）弯曲强度与密度倒数的Ashby图；（b）NB、CBRP、CFRP和GFRP的拉伸强度比较；（c）NB、CBRP、CFRP和GFRP的弯曲强度与弯曲模量比较；（d）由有限元模拟得到的三点弯曲过程中NB和CBRP的总功与塑性耗散能；（e）CBRP刀具切开苹果；（f）NB、CBRP、CFRP和GFRP的硬度；（g）CBRP与CFRP在第一和第二加载阶段的减震比较；（i）CBRP与CFRP的最大变形比较；（h）CBRP在碳板跑鞋及其他轻量体育用品中的应用演示。

可持续性评估则从生命周期角度确认了该路线的优势。CB遵循生物质来源的生命周期，竹材生长固定大气CO₂并提供可再生碳储存，而常规CF和GF依赖化石原料与能耗密集加工（图5a）；CB每立方米总成本约1303美元，明显低于CF且低于GF，CNC、电力和水合计不足成本的6%，表明引入CNC仅带来有限经济负担（图5b）。采用ReCiPe 2016 Midpoint（H）方法的 cradle-to-gate 生命周期评价以CB、CF、GF为功能增强材料、按体积归一化比较18项环境足迹指标，CB在代表性类别中持续低于CF和GF：全球变暖潜势为2164 kg CO₂ eq，较CF和GF分别降低约97.9%和65.4%（图5c），细颗粒物形成（图5d）、陆地酸化（图5f）、人类非致癌毒性（图5g）、化石资源稀缺（图5h）、水消耗（图5i）、人体健康相关臭氧形成（图5j）和陆地生态毒性（图5k）均呈类似趋势；进一步比较环氧基CBRP、CFRP和GFRP的环境影响，尽管增加了树脂加工环节，CBRP在多数影响类别上仍具明显环境优势。碳足迹分解显示温室气体排放主要由竹材生产和碱处理主导，电力和水使用相对较小（图5e），未来减排应聚焦低碳或生物基树脂、试剂回收以及更高效的竹材采购与预处理。

图5 CB的环境可持续性与成本分析。（a）CBRP与CFRP生命周期路径比较示意图；（b）展示CB制备成本与过程贡献的桑基图；（c）CB、CF和GF的全球变暖潜势比较；（d）CB、CF和GF的细颗粒物形成比较；（e）各影响类别中贡献过程占总碳足迹的比例；（f–k）CB、CF和GF复合材料在多个类别上的生命周期环境影响比较：陆地酸化（f）；人类非致癌毒性（g）；化石资源稀缺（h）；水消耗（i）；臭氧形成，人体健康（j）；陆地生态毒性（k）。

总之，该研究提出的超分子纳米增强策略通过提升细胞壁层面界面载荷传递效率，克服了竹材固有的力学局限：CNC渗入形成致密体系，促进取向纤维素骨架内界面氢键环境的重构，将异质结构转化为连续承载体系，在跨尺度上同步实现强度、刚度和韧性的提升。更重要的是，该方法实现了连续卷材的规模化生产，这是工业规模制造高性能层压复合材料的关键使能条件；生命周期评价进一步揭示其相较合成纤维复合材料大幅降低的碳排放与环境影响。 该工作确立了将纳米尺度构建单元整合进层级材料以调控生物质体系载荷传递的设计原则，提供了一条将丰富生物质转化为高性能结构材料、并从更根本上解耦力学性能与碳强度的可规模化路径。 展望未来，将数据驱动设计与纳米尺度增强相结合，有望进一步加速生物质材料的优化，实现更精确的结构控制与性能提升。