將自然界中(zhong)廣泛(fan)存在的纖(xian)維素生物(wu)質資源(yuan)轉化(hua)為生物(wu)燃料和(he)生物(wu)基化(hua)學品以(yi)補充(chong)替代不可再生的化(hua)石資源(yuan)，成(cheng)為緩(huan)解(jie)能源(yuan)枯竭和(he)碳排放問(wen)題的關鍵需求。運用(yong)(yong)化(hua)學手段將納米纖(xian)維素水(shui)解(jie)成(cheng)糖是(shi)實現其降解(jie)利用(yong)(yong)的常用(yong)(yong)方法，然而纖(xian)維素分(fen)子(zi)鏈(lian)中(zhong)強烈氫鍵作(zuo)用(yong)(yong)形成(cheng)的低化(hua)學響應(ying)(ying)結構嚴重制約了水(shui)解(jie)效率和(he)產物(wu)穩(wen)定性(xing)。因(yin)此，如(ru)何(he)在溫和(he)的反(fan)應(ying)(ying)條件下實現納米纖(xian)維素的高效降解(jie)是(shi)生物(wu)質可持續利用(yong)(yong)領域的重要挑戰。

188bet足球工程科(ke)學(xue)學(xue)院吳恒(heng)安教授(shou)團隊(dui)聯合微尺度物質(zhi)科(ke)學(xue)國(guo)家(jia)研究中(zhong)心(xin)俞書宏院士團隊(dui)，在彎(wan)折(zhe)(zhe)缺(que)陷(xian)促進納米(mi)纖維(wei)素高效降解的力化學(xue)研究中(zhong)取得重(zhong)要進展(zhan)。研究團隊(dui)從多尺度定量化建模和實驗(yan)表(biao)征出(chu)發(fa)，系統闡明了(le)機(ji)械處(chu)理(li)誘導納米(mi)纖維(wei)素形成(cheng)不同(tong)典(dian)型彎(wan)折(zhe)(zhe)缺(que)陷(xian)的微觀力學(xue)機(ji)制，揭示了(le)微結構(gou)彎(wan)折(zhe)(zhe)變形促進水解活(huo)化的力化學(xue)機(ji)理(li)，結合原位水解實驗(yan)驗(yan)證，提(ti)出(chu)了(le)利用人工彎(wan)折(zhe)(zhe)缺(que)陷(xian)大幅提(ti)升納米(mi)纖維(wei)素水解效率的新方法。相關研究以“Artificial kink defects enable high-efficiency degradation of nanocellulose via mechanochemical activation”為題于6月17日發(fa)表于(yu)Cell出版社材料學旗艦期刊《物質(zhi)》（Matter）。

圖1 彎(wan)折缺(que)陷(xian)促進納米纖維素高效降解的機(ji)理示意圖

研究(jiu)團隊首先(xian)通過原子力(li)(li)(li)顯微鏡的定量表征發(fa)現了(le)經過機械處理(li)后納(na)(na)米纖維(wei)(wei)素在(zai)廣(guang)泛(fan)存在(zai)的彎(wan)折(zhe)(zhe)(zhe)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)處呈現典型的三維(wei)(wei)形貌突變(bian)，并基于(yu)大規模分(fen)子動力(li)(li)(li)學(xue)模擬闡明了(le)彎(wan)折(zhe)(zhe)(zhe)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)的微觀力(li)(li)(li)學(xue)機理(li)，外載作(zuo)用下(xia)納(na)(na)米纖維(wei)(wei)素為耗散積累的能量和應力(li)(li)(li)發(fa)生局部的三維(wei)(wei)塑性變(bian)形并伴隨微結構畸變(bian)和氫(qing)鍵斷裂；進(jin)一步，結合第一性原理(li)計算和原位水解(jie)實(shi)驗揭示了(le)彎(wan)折(zhe)(zhe)(zhe)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)的力(li)(li)(li)化(hua)學(xue)機理(li)，彎(wan)折(zhe)(zhe)(zhe)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)處分(fen)子鏈的非線性幾何構型驅動水解(jie)反(fan)應向(xiang)具有較低自由能壘的理(li)想反(fan)應路徑發(fa)展以促進(jin)在(zai)彎(wan)折(zhe)(zhe)(zhe)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)處的優先(xian)水解(jie)。

圖2 彎(wan)折缺陷的形(xing)貌表征和微(wei)觀力學機制

在對(dui)彎折(zhe)缺(que)陷微(wei)觀機(ji)制的(de)(de)全面闡釋和(he)力(li)化(hua)學(xue)行(xing)為的(de)(de)理(li)論(lun)預(yu)測基礎上(shang)，研究團隊提出(chu)了引入(ru)簡單機(ji)械預(yu)處理(li)的(de)(de)水(shui)解(jie)“兩步”法，通(tong)過(guo)誘導(dao)更多的(de)(de)人工彎折(zhe)缺(que)陷實現了初(chu)期水(shui)解(jie)速(su)率的(de)(de)顯著提升。該研究揭示了機(ji)械誘導(dao)納米纖(xian)維素(su)塑性變形(xing)和(he)微(wei)結構缺(que)陷對(dui)其水(shui)解(jie)反應效率的(de)(de)力(li)化(hua)學(xue)調控(kong)機(ji)理(li)，為生(sheng)物(wu)圈中廣泛應用(yong)機(ji)械處理(li)降解(jie)纖(xian)維素(su)生(sheng)物(wu)質提供(gong)了關鍵(jian)科學(xue)依據和(he)新的(de)(de)理(li)論(lun)見(jian)解(jie)，推動了力(li)化(hua)學(xue)方法在生(sheng)物(wu)質可(ke)持續利用(yong)領域的(de)(de)應用(yong)前景。

圖3 彎折(zhe)缺陷促(cu)進水解(jie)活化的力化學機理和實驗驗證(zheng)

近(jin)代力學系(xi)侯遠震博(bo)士和化學系(xi)韓(han)子盟博(bo)士為論文共(gong)同第一作(zuo)者(zhe)(zhe)，吳(wu)恒(heng)安(an)教授(shou)、俞書宏院(yuan)士和朱銀波副教授(shou)為論文共(gong)同通訊(xun)作(zuo)者(zhe)(zhe)，該工作(zuo)得到了國(guo)家(jia)自然科學基(ji)金(jin)基(ji)礎(chu)科學中心、中國(guo)科學院(yuan)青年創新(xin)促進會(hui)和國(guo)家(jia)資(zi)助博(bo)士后(hou)研(yan)究人員(yuan)計劃等項目的資(zi)助。

論文(wen)鏈接：//doi.org/10.1016/j.matt.2025.102212

（工程科學學院、合肥微尺度物質科學國(guo)家研究中心、科研部）