科技日报记者 夏凡 通讯员 黄莎莎
植物秸秆是我们日常生活中常见的天然生物质材料。田里的麦秆、玉米秆，路边的杂草茎秆，看似普通，其实在这些植物细胞壁中藏着一种“隐形宝藏”——纤维素。作为自然界产量最高的非粮多糖，纤维素每年全球产量可达上千亿吨，就像一座取之不尽的绿色宝库，是支撑社会可持续发展的重要绿色环保原料。
长期以来，科研人员主要采用化学方法，将纤维素拆解成一维纳米材料。这类材料强度高、用途广泛。但大家慢慢发现，植物细胞壁本身拥有复杂而丰富的空间结构，就像一层层精心搭建的“积木”，这让纤维素有可能形成比一维更有用的多维结构。于是，一个关键的科学问题随之浮现：纳米纤维素能否具备更具实用价值的片状形态？
近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所生物基高分子团队成功破解了这一难题。他们从分子层面入手，对天然纤维素进行精准解构，直接从中提取出二维片状纳米材料，这不仅获得了优质材料，还明确证实了这种二维纳米结构确实存在。相关研究成果发表在学术期刊《可持续发展材料》上，为绿色新材料的开发，打开了一扇全新的大门。
植物细胞壁具有层层叠加、相互包裹的复杂空间层级。纤维素分子之间通过氢键形成紧密的聚集网络。此前，实现纤维素高值化利用的核心难点在于，无法精准、适度地“拆开”这些纤维素分子间的氢键连接，导致纤维素的精准结构拆解转化始终局限于一维纳米纤维的范畴。
传统的纤维素酶水解法与酸性化学催化剂法，往往会破坏二维纳米结构，根本无法直接提取纤维素纳米片。而用机械力粉碎的无差别施力，也难以实现对纤维素结构的选择性断裂，难以获得大尺寸的二维纳米片。可以说，想要精准“拆开”纤维素的聚集结构，难度极大。
既然传统方法行不通，科研团队就换了个思路。他们发现，一类被称为“离子液体”的物质，极具潜力。这类液体的阴阳离子可自由组合，通过调节组合方式能够改变自身离子强度，从而刚好能适配纤维素不同层次结构的解离需求。
基于这一发现，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员那海宁提出了“两性离子复合固体催化剂构建及纤维素选择性催化解聚”策略。研究人员采用强制性共价连接模式，设计合成了新型固体催化剂。简单来说，就像是打造了一把“精准剪刀”：它把弱酸性与弱碱性单元均匀分散排列，通过调控二者相互作用获得适宜的离子强度，再加上磷钨酸的辅助，形成一种全新的解聚技术。用这把“剪刀”解离纤维素，就像在特定层面上温和地“剪开”聚集结构，既不会破坏纤维素本身的分子结构，又能完整把二维片状纳米材料提取出来。
“这个技术还有两个核心优势，一是反应条件温和、不用高温高压，二是其转化效率高，能充分利用生物质材料。”那海宁告诉科技日报记者，更值得一提的是，这种方法具有广泛的普适性，适用于棉纤维素、木纤维素、粘胶纤维素、细菌纤维素等多种类型纤维素的二维纳米片提取。
这一科研突破，不仅建立了一种绿色高效的二维纳米材料提取技术，更重要的是，它深化了我们对纤维素多层级结构的认知——明确证实了天然纤维素中，确实存在原生二维片状结构。团队负责人朱锦研究员认为，这为纤维素向高性能纳米材料转化及其新质应用拓展提供了全新思路。
从长远来看，这项成果对推动绿色新材料研发、提升生物质资源高效利用水平、助力可持续发展，都有着十分重要的意义。未来，或许我们身边的秸秆，就能变成高端纳米材料，应用在各个领域，真正实现“变废为宝”。
（受访单位供图）
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