科学网—AMR Account｜纳米纤维“编织”颗粒：构筑多功能超结构材料-材料研究述评（英文）的博文
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2026-5-21 09:12
| 个人分类: AMR Account | 系统分类: 论文交流
近日，芬兰阿尔托大学Bruno D. Mattos教授与赵斌博士的 AMR 述评文章“Particle‑Nanofiber Superstructures”（颗粒‑纳米纤维超结构）在线发表。文章系统总结了以纳米纤维为“粘合剂”构筑颗粒‑纳米纤维超结构的制备与组装策略，深入论述了从纳米到宏观尺度的结构‑性能关系，并展望了此类材料在规模化制备中的前景与挑战，以推动其在增材制造、胶体机器人等新兴领域的应用。
关键词： 纳米纤维网络，微纳颗粒，超结构组装，内聚力调控，多功能集成
文章内容简介
超结构组装是一种高效策略，能够将微纳颗粒的优异性能从微观尺度传递至宏观体相，同时兼具模块化、多功能性以及简便、可规模化的制备优势。通过将微纳颗粒与多种组装技术相结合，可对组装体的形貌特征进行高度定制。在所形成的超结构中，实现高内聚力与高鲁棒性至关重要——这既能有效应对纳米毒性与生物累积风险，也能防止因微纳颗粒剥离而导致的性能与功能损失。
本述评的核心贡献在于，系统阐述了生物基纳米纤维作为“通用粘合剂”在超结构组装中的独特优势。传统策略往往需要针对微纳颗粒的特性，逐一设计特定的内聚力方案；而本文指出，以纤维素纳米纤维为代表的纳米纤维网络，几乎可以显著提升任何微纳颗粒系统的内聚力，从而大幅增强其力学强度和鲁棒性，并为微观与宏观结构的多尺度设计开辟了广阔空间。在微观尺度，纳米纤维可有效抑制颗粒的有序密堆积，从而增强表面可及性；在宏观尺度，纳米纤维则能调控颗粒悬浮液的粘弹性，并决定干燥后超结构的最终形貌。虽然纤维素纳米纤维目前应用最广，但该组装策略具有良好的普适性，已成功拓展至甲壳素、蛋白及芳纶等纳米纤维体系。
本述评系统回顾了纳米纤维在增强超粒子内聚力与调控其结构方面的能力。首先，从提取工艺与表面处理方法入手，详细讨论了纤维素纳米纤维的化学组成、改性策略及胶体性质——这些性质对于将纳米纤维网络的内聚力有效传递至超结构至关重要。随后，文章分析了在稀溶液和干燥状态下纳米纤维与微纳颗粒之间的相互作用，将其与驱动组装的力学机制和物理现象建立了关联，并从颗粒截留、以及固结前颗粒与纳米纤维的相互作用出发，深入剖析了纳米纤维网络的网格尺寸与拥挤度。在制备方法方面，介绍了当前构筑超结构材料的主要手段，包括在超疏水表面、模板和亲水性基底上的组装，以及基于空气-液体界面的泡沫法、3D打印和喷雾干燥等技术。最后，文章展示了纳米纤维-微纳颗粒超结构的实际应用，并着重论述了这类具有纳米结构特征的宏观超颗粒所带来的独特优势。
图1 颗粒‑纳米纤维超结构
AMR ：请问团队选择该研究领域的 具体原因是？
作者团队：
纤维素纳米纤维具有高长径比、优异的柔韧性与力学强度，以及多分支结构等独特特征。这些属性使其能够形成高强度的纳米网络，成为构筑超结构颗粒的理想基元。微纳颗粒在柔性电子、能源催化、气体与液体处理等领域应用广泛，但仍面临纳米毒性、质量流失及可操作性差等诸多挑战。针对上述问题，我们的研究致力于提出一种普适、跨尺度的微纳颗粒超结构化策略。进一步与人工智能相结合，该策略有望为胶体机器人、柔性电子、传感器等新兴领域提供可编程的功能设计，从而推动基于超结构微纳颗粒的智能响应材料与信息材料的发展。
AMR ：在您看来，该领域最值得探讨 的话题是什么?
作者团队：
纳米纤维网络对微纳颗粒的限域效应，是一个极具探讨价值的核心话题。即使在极低的添加量下，纳米纤维也能形成致密的笼状网络，有效限制微纳颗粒的移动，从而在材料内部构建出局域化的功能单元。例如，我们在文中展示了一种由边界清晰、功能迥异的两个半球所组成的超颗粒，正是利用这一机制实现了性能的空间分区。将这种限域效应与增材制造相结合，有望实现对光学、电学、磁学及热响应性材料的程序化设计，进而为智能传感、胶体机器人等新兴领域提供更加丰富的设计依据。
作者团队简介
赵斌 ，阿尔托大学应用物理系博士后，合作导师为Olli Ikkala教授。目前主要研究方向为软物质与功能性纳米材料的自组装机制，尤其聚焦于仿生光子结构及动态响应材料领域。他在阿尔托大学生物制品系获得博士学位，师从Orlando Rojas教授，博士期间主要从事生物质基光学功能材料与CO 2 捕集材料的研究。其研究成果多次发表于 Nat. Commun. 、 Adv. Funct. Mater. 、 ACS Nano 、 Acc. Mater. Res. 和 Appl. Energy 等高水平期刊，累计引用超过1300次，H因子为13。
Luiz G. Greca ，阿尔托大学生物制品与生物系统系大学教师。他在该系获得博士学位，师从Orlando Rojas教授，随后在瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）从事了两年博士后研究。他的研究聚焦于以可再生生物质资源为原料、以最小化加工为原则，开发功能性材料，具体方向包括基于菌丝体和细菌的活体材料、生物胶体粘合剂以及颗粒-纤维复合材料。
Bruno D. Mattos ，阿尔托大学生物制品与生物系统系副教授、独立PI，领导循环生物质基材料研究小组。他在巴西巴拉那联邦大学与巴西农业研究公司林业部门联合培养下获得博士学位。其团队致力于以天然高分子和生物质基胶体为基础，开发先进的超分子材料，并特别注重材料的循环性设计与生态友好性。
扫码阅读Bruno D. Mattos教授与赵斌博士的精彩Account文章：
Particle‑Nanofiber Superstructures
Bin Zhao, Luiz G. Greca, and Bruno D. Mattos*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00308
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