纳米纤维素作为一种取自于自然界的可再生天然生物质材料，具有生物可降解、生物相容性和环境安全性等区别于塑料、金属、橡胶等传统人工合成材料的独特优势。将自然界中广泛存在的纤维素生物质资源转化为生物燃料和生物基化学品以补充替代不可再生的化石资源，成为缓解能源枯竭和碳排放问题的关键需求。运用化学手段将纳米纤维素水解成糖是实现其降解利用的常用方法，然而纤维素分子链中强烈氢键作用形成的低化学响应结构严重制约了水解效率和产物稳定性。因此，如何在温和的反应条件下实现纳米纤维素的高效降解是生物质可持续利用领域的重要挑战。
中国科学技术大学工程科学学院吴恒安教授团队联合微尺度物质科学国家研究中心俞书宏院士团队，在弯折缺陷促进纳米纤维素高效降解的力化学研究中取得重要进展。研究团队从多尺度定量化建模和实验表征出发，系统阐明了机械处理诱导纳米纤维素形成不同典型弯折缺陷的微观力学机制，揭示了微结构弯折变形促进水解活化的力化学机理，结合原位水解实验验证，提出了利用人工弯折缺陷大幅提升纳米纤维素水解效率的新方法。相关研究以“Artificial kink defects enable high-efficiency degradation of nanocellulose via mechanochemical activation”为题于6月17日发表于Cell出版社材料学旗舰期刊《Matter》。
图1： 弯折缺陷促进纳米纤维素高效降解的机理示意图
研究团队首先通过原子力显微镜的定量表征发现了经过机械处理后纳米纤维素在广泛存在的弯折缺陷处呈现典型的三维形貌突变，并基于大规模分子动力学模拟阐明了弯折缺陷的微观力学机理。在机械外载作用下，纳米纤维素开始呈现曲率逐渐增大的光滑弧形弯曲构型，当达到弹性变形临界点时，发生由层间位错诱导的局部塑性变形（翻折或翘曲）以释放积累的势能和弯曲应力，导致纤维由弧形弯曲向双线型弯折的构型转变。同时，在分子链弯折拐点处的糖苷键向外暴露且链内氢键明显削弱或断裂，破坏了由糖苷键和链内氢键共同支撑的顽固性分子骨架，为促进纤维素分子链的水解提供了潜在化学反应位点。
图2：弯折缺陷的形貌表征和微观力学机制
进一步，结合第一性原理计算和原位水解实验揭示了弯折缺陷和水解反应活性之间的关系，厘清了弯折缺陷促进水解活化的力化学机理。理论计算表明，弯折几何构型虽然不会直接破坏纤维素分子链，但可以通过糖苷键旋转和氢键网络重构以达到具有更高自由能的亚稳态构型，从而驱动水解反应向具有较低自由能垒的理想反应路径发展以提高弯折缺陷处纤维的水解反应活性。对机械处理后纳米纤维素水解进程的原子力显微镜表征发现，弯折缺陷呈现从局部细化到断裂的形貌转变，验证了纳米纤维素在弯折缺陷处的优先水解。
图3：弯折缺陷促进水解活化的力化学机理和实验验证
在对弯折缺陷微观机制的全面阐释和力化学行为的理论预测基础上，研究团队结合反应产物的光谱标定方法，提出了引入简单机械预处理的水解“两步”法，通过诱导更多的人工弯折缺陷实现了初期水解速率的显著提升（~2倍）。该研究揭示了机械诱导纳米纤维素塑性变形和微结构缺陷对其水解反应效率的力化学调控机理，为生物圈中广泛应用机械处理降解纤维素生物质提供了关键科学依据和新的理论见解，推动了力化学方法在生物质可持续利用领域的应用前景。
近代力学系侯远震博士和化学系韩子盟博士为论文共同第一作者，吴恒安教授、俞书宏院士和朱银波副教授为论文共同通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金基础科学中心、中国科学院青年创新促进会和国家资助博士后研究人员计划等项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102212
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