纳米纤维素（CNF）是地球上最丰富的可再生纳米材料。通过不同的过程（如酸水解、机械处理、酶水解、氧化和离子液体处理等），研究者可以从植物、海洋动物和细菌中提取出形态各异的CNF。CNF具有诸多优点：量大，可再生，可降解，可生物相容，密度低，长径比高，超亲水，结晶度高，含有丰富的表面基团，透明性高，热膨胀系数低，热稳定性好，良好的流变性和模量高。正因为如此，CNF在生物医学、纺织品、传感器、能源、催化剂、食品、电子和水处理领域应用广泛。由于密度低、模量高，CNF在聚合物中可以替代传统的增强材料（如玻璃纤维），制备出轻质高强的纳米复合材料。两种物质混合在一起，界面问题永远是个挑战。CNF是亲水性的，和大多数憎水的聚合物混合在一起时难免团聚，所以研究者提出了许多化学方法来修饰CNF，如氧化、甲硅烷基化、酯化、醚化和聚合物接枝等，这些方法的目的只有一个，就是增强CNF与聚合物之间的界面相容性。不要以为CNF制品只停留在实验室阶段。三菱铅笔公司已经在北美销售含有CNF墨水的笔；日本纸业公司已经开发出含CNF的成人纸尿裤；京都大学设计了一款CNF概念车（NCV），并在2019年东京车展期间展出，车身、引擎盖和半透明车顶均由CNF增强复合材料制成，重量仅有传统汽车的一半。受到生物体系多级纳米复合结构的启发，研究者对CNF在聚合物中的巧妙排列、并因此展现出不同的功能越来越感兴趣。这种各向异性的纳米复合材料在光学、机械、热传感器、软致动器、人造肌肉等领域具有广泛的应用。McGill大学Yixiang Wang和武汉大学常春雨团队对高度有序排列的CNF复合材料的最新进展进行了总结，重点介绍了高度取向的结构，螺旋结构和梯度结构的纳米复合材料。为了实现CNF在聚合物中的单轴取向，研究者主要采用五种策略：电场、磁场、拉伸力场、剪切力场和模板法。在外部交流电场下，具有永久或感应偶极的CNF会与电场方向平行排列而实现取向。Xu等人在聚氨酯中加入电场实现了CNF的单轴取向，与垂直方向相比，在平行方向上复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了2.07和1.82倍。当把CNF置于磁场中时，会因其磁性响应从而实现取向。Cao等人利用共沉淀法在CNF的表面上沉积了Fe3O4纳米颗粒（约62 wt％），在低强度磁场（0.2 T）下，实现了CNF在环氧天然橡胶（ENR）中的排列，平行排列的材料其拉伸强度和模量分别比纯ENR提高了1.4和1.6倍。与电场或磁场相比，剪切力是控制CNF取向的简易方法，Hausmann等人研究了在直接墨水书写过程中，在剪切应力作用下CNF在墨水中的取向动力学。Zhang等人通过CNF的甲硅烷化和冷冻铸膜技术制备了聚乙烯醇和CNF层状气凝胶，其吸收有机溶剂和油的能力是其自身重量的45~99倍，并可重复使用。硫酸水解的CNF溶液在受控条件下蒸发，可以形成具有手性向列结构的彩色膜，可以用作反光片和滤光片。但是这种膜不耐水、较脆，研究者就加入各种添加剂，如甘油、葡萄糖、表面活性剂等进行改进。Zhou等人制备了CNF/PEG光子膜，呈现出从蓝色到红色均匀、鲜艳的颜色。Wan等人制备出了CNF/水性聚氨酯柔性光子膜，通过改变螺旋间距就能调节颜色，这种膜对湿气还能产生快速光学响应。MacLachlan等人通过吡咯的原位聚合反应开发出了导电的CNF/聚吡咯复合膜，拉伸时薄膜从白色依次变为蓝色、黄色、粉红色和绿色。受到生物系统中梯度结构的启发，研究者通过控制网络交联密度、孔分布和CNF的排列制备出了梯度纳米复合材料。受到鱿鱼嘴梯度结构的启发，Rowan等人利用烯丙基官能化CNF的光诱导硫醇-烯交联反应制备了纳米复合材料，由于存在梯度结构，在同一样品中，模量在60~300 MPa之间变化。Kumacheva等人利用一种微挤出3D打印方法，制备了纵向和横向梯度的CNF/明胶水凝胶材料。利用电泳原理，Chang人开发了一种梯度分布的CNF胶束/聚（N-异丙基丙烯酰胺）纳米复合水凝胶，具有快速热响应性能，弯曲速度4.8°/s，恢复速度1.4°/s。在过去的二十年中，CNF作为增强材料已经在汽车、运动装备等领域广泛应用。受到自然界各种纳米结构的启发，研究者发现在聚合物基质中通过控制CNF的排列，材料就能表现出不同的性能。McGill大学Yixiang Wang和武汉大学常春雨课题组对高度有序排列的CNF复合材料的最新进展进行了总结，认为如下领域值得进一步研究：①目前不同CNF排列结构的复合材料仍然以实验室研究为主，开发出一种适合于工业化生产的CNF复合材料能极大的推动这一领域的研究；②在实现CNF复合材料规模化生产的同时如何控制成本及精确控制CNF的排列仍然是个挑战；③CNF复合材料对自然环境和人体健康的影响值得深入研究，在这种材料大规模应用后这个问题将更加突出。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08906
