【仪表网 研发快讯】利用低维有序结构单元构建分层有序结构在天然高分子材料的功能实现和性能提升方面发挥着重要作用。纳米纤维素(CNF)由于固有的各向异性，具有显著的纳米级特性，如重量轻、强度高、生物相容性好以及独特的光学和电学特性。然而，由于CNF间的强相互作用，在形成纤维素基材料中仅能实现随机排列，无法将CNF的优异特性传递到大尺度的材料当中，这也成为利用CNF构建高性能材料器件的难点。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所生物基高分子材料团队在朱锦研究员和那海宁研究员的带领下长期从事生物质转化利用技术与应用研究，围绕非粮生物质基高性能及功能材料开展了多项卓有成效的研究工作。近日，该团队提出了一种低磁场诱导磁性纳米棒组装CNF实现高度取向排列的新策略，设计出磁性纳米棒结构，利用其形貌各向异性和磁矩取向效应，仅在几十毫特(mT)的弱磁场下，即引导CNF实现了高度取向排列，排列取向度(S2D)高达0.8-1.0。此外，还通过模拟与实验协同分析，揭示了CNF高度取向的引导机制。通过磁场引导，将CNF构成纤维素材料的介电常数由CNF随机排列时的8.67提高CNF高度取向排列时的15.21，以此作为核心器件形成摩擦纳米电机(TENG)的电输出性能提高971%，同时展现出良好磁响应调控、柔性与湿敏能力。此项成果不仅在天然生物质基材料的内部结构取向调控层面的取得突破，也在自供能柔性电子器件的性能提升上展现巨大潜力，为生物质材料的高质量转化利用及柔性电子材料技术的发展注入了新的活力。
该工作由2023级硕士生王天宇在宁波材料所朱锦研究员和那海宁研究员的指导下完成，并以“Magnetic nanorods induced construction of multiresponsive anisotropic nanocellulose films for enhanced TENG output”为题，发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.202522421)。该工作得到了宁波市重点研发计划项目(2025Z112)、海南省重点研发计划项目(ZDYF2023XDNY053)、国家自然科学基金(52303142)、宁波市自然科学基金(2024J437)、广西大学轻工与食品工程学院清洁制浆造纸与污染控制广西重点实验室(2023GXZZKF62)，中国科学院宁波材料与技术研究所所长基金重点项目的支持。
图(a)磁场诱导磁性纳米棒取向纳米纤维素提高TENG输出性能示意图；(b)、(c)高度排列纳米纤维素偏光显微镜图；(d)、(e)磁场取向纳米纤维素与随机分布纳米纤维素构成TENG输出性能图；(f)各向异性纳米纤维素膜介电常数图；(g)以磁性纳米棒诱导CNF取向与传统非磁场取向和磁场取向CNF的S2D对比图；(h)以磁场诱导高度取向的CNF与其他增强TENG输出性能方法的性能提升幅度对比图
(高分子与复合材料实验室 那海宁)
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