隨著廢棄聚合物造成的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，天然高分子材料因其可再生、可降解、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究與開發(fā)，以謀求替代傳統(tǒng)聚合物。與傳統(tǒng)聚合物不同，諸如纖維素、甲殼素、蠶絲以及蛛絲等天然高分子材料依賴于小分子（葡萄糖或氨基酸）聚合形成生物大分子，大分子進(jìn)一步組裝形成生物質(zhì)納米或微米纖維，完成多層級的精準(zhǔn)自組裝，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)異的功能單元滿足生物的正常代謝。一般來說，生物質(zhì)納米纖維的直徑<100nm，是生物體內(nèi)普遍存在的基本結(jié)構(gòu)之一，通常具有優(yōu)異的力學(xué)性能與獨(dú)特的生物功能。
近日，青島科技大學(xué)張建明團(tuán)隊(duì)陳玉偉副教授與中國科學(xué)院青島能源所李朝旭研究員等合作開發(fā)了一種具有普適性的生物質(zhì)納米纖維綠色制備方法。該制備方法主要利用1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯（DBU）的二甲亞砜（DMSO）作為一種通用的、可回收的、非侵入性的去質(zhì)子化溶劑體系，對不同多糖或氨基酸基生物質(zhì)材料進(jìn)行奪質(zhì)子化處理，并配合后期高壓均質(zhì)等強(qiáng)物理剪切作用制備生物質(zhì)納米原纖維。同時(shí)，依賴于DBU的酯化催化特性，該溶劑體系還可以活化生物質(zhì)表面羥基，促進(jìn)其與酸酐反應(yīng)制備羧基化納米纖維。
對比其它生物質(zhì)納米纖維的制備方法，該方法在普適性以及制備能耗方面有一定優(yōu)勢。同時(shí)，反應(yīng)后的DBU/DMSO溶液可以通過減壓蒸餾和萃取等步驟進(jìn)行回收，并再次用于制備生物質(zhì)納米纖維。
此外，為了進(jìn)一步拓寬生物質(zhì)納米纖維的使用場景，團(tuán)隊(duì)以微晶纖維素為例，在DBU/DMSO體系中，加入羥基螺吡喃與4-二甲氨基吡啶（DMAP）和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺（EDC），再次利用DBU的催化作用制備了一種兼具光響應(yīng)性和濕度響應(yīng)性的功能化生物質(zhì)納米纖維.通過熒光發(fā)射光譜和紫外可見光光譜表征了，在羧基化的基礎(chǔ)上，接枝有螺吡喃的納米纖維可以在紫外光(365nm)照射下實(shí)現(xiàn)由藍(lán)色到紅色的循環(huán)熒光顏色轉(zhuǎn)變。同時(shí)，依賴于紫外光照下螺吡喃的SP與MC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，納米纖維薄膜還具有光響應(yīng)性的親疏水變化。
此外，結(jié)合前面所制備生物質(zhì)納米原纖維以及羧基化納米纖維，采用逐層抽濾的方法制備了具有多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)納米纖維薄膜。通過SEM表征該納米纖維薄膜厚度在260nm，能夠在環(huán)境濕度為70%的條件，通過紫外光和可見光切換完成多次循環(huán)彎曲致動(dòng)，具備良好的光致致動(dòng)特性。因此，團(tuán)隊(duì)嘗試將這種多層異質(zhì)薄膜用于信息加密領(lǐng)域，通過打印可以完成多重偽信息加密，并通過將螺吡喃納米纖維與羧基化納米纖維進(jìn)行單層或多層抽濾組合，構(gòu)成6種不同變色和致動(dòng)行為的單層或多層薄膜，這些薄膜兩兩組合可以滿足字母a-z以及數(shù)字0-9的編碼加密。最后，利用薄膜光響應(yīng)和濕氣響應(yīng)性嘗試去建立一種新的信息加密手段，實(shí)現(xiàn)三維信息加密。通過薄膜的變色和致動(dòng)行為，將信息從初始的數(shù)字3經(jīng)歷8 9最終變化為7。
相關(guān)工作以題為“Versatile Deprotonation-Induced Exfoliation and Functionalization of Biological Nanofibrils for Actuation and Fluorescence”的研究性論文發(fā)表在SCI期刊ACS Applied Materials & Interfaces上（IF：9.5），DOI：https://doi.org/10.1021/acsami.4c02579）。青島科技大學(xué)高分子學(xué)院碩士研究生張白浪為本文的第一作者，青島科技大學(xué)陳玉偉和青島能源所李朝旭等為本文的共同通訊作者。
