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作者及发表信息
这项研究由Kaiqing Yu、Chao Li、Wenhui Gu等多位作者共同完成，主要来自南开大学化学学院、中国药科大学、内蒙古工业大学等机构。研究发表于《Nature Sustainability》期刊，发表日期为2025年2月8日。

学术背景
该研究的主要科学领域是可持续材料开发，特别是基于生物资源的高性能纤维素纤维的制备。纤维素是地球上最丰富的生物材料之一，具有优异的机械强度和韧性，但由于纤维素分子链和纳米晶体的有序排列难以实现，制备高强度宏观纤维素纤维极具挑战。研究团队旨在通过开发一种新的纺丝/脱乙酰化方法，制备具有高度有序分子排列的纤维素纤维，以提高其机械性能，为可持续材料的发展提供新途径。

研究流程
研究主要包括以下几个步骤：
1. 纤维素三乙酸酯（Cellulose Triacetate, CTA）溶液的制备
CTA溶解在三氟乙酸（Trifluoroacetic Acid, TFA）和二氯甲烷（Dichloromethane, DCM）的混合溶剂中，通过机械搅拌6小时获得透明溶液。
2. 纤维纺丝
使用不锈钢细丝从溶液中拉出纤维，控制CTA浓度在15-30 wt%，环境相对湿度为10-50%。纤维在纺丝过程中迅速干燥，形成透明、表面光滑的CTA纤维（CTF）。
3. 脱乙酰化处理
将CTF浸泡在碱性溶液（如甲醇钠/甲醇）中48小时，去除乙酰基，生成脱乙酰化纤维素纤维（DCF）。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认酯基转化为羟基。
4. 纤维扭转变形
在脱乙酰化过程中对纤维进行扭转，使分子链螺旋排列，进一步提高纤维的机械性能。
5. 性能测试与表征
使用偏振光学显微镜、二维广角X射线散射（2D WAXS）、扫描电子显微镜（SEM）等技术对纤维的分子排列、表面形貌和机械性能进行表征。通过拉伸试验测量纤维的断裂强度、断裂应变和韧性。

主要结果
1. CTF与DCF的机械性能
脱乙酰化后的DCF表现出显著的机械性能提升，断裂强度达到2.64 GPa，韧性为195.7 MJ m⁻³。通过扭转处理，DCF的断裂强度进一步提升至3.08 GPa，韧性达到215.1 MJ m⁻³，远高于现有的纤维素纤维材料。
2. 分子排列与结构表征
2D WAXS和SAXS分析表明，脱乙酰化后纤维素分子链的排列更加有序，纳米组装的紧密程度显著提高。SEM和TEM图像显示，DCF的表面更加光滑，纳米纤维的直径显著减小。
3. 与其他纤维材料的对比
DCF的机械性能优于多种传统纤维材料，如凯夫拉（Kevlar 49）、碳纤维和高强度钢，在可持续材料领域具有重要应用潜力。

结论
该研究成功开发了一种通过纺丝/脱乙酰化方法制备高性能纤维素纤维的新工艺，显著提高了纤维的机械强度和韧性。这不仅为可持续材料的发展提供了新思路，还为纤维素纤维在纺织、复合材料等领域的应用奠定了基础。

研究亮点
1. 创新方法
纺丝/脱乙酰化方法通过扭转处理实现了纤维素分子链的高度有序排列，这是一种新颖的纤维制备工艺。
2. 高性能纤维
制备的DCF具有3.08 GPa的断裂强度和215.1 MJ m⁻³的韧性，是目前报道的性能最优的纤维素纤维之一。
3. 可持续性
该方法使用生物资源作为原料，生产过程环境友好，溶剂可回收利用，符合可持续发展的理念。

其他有价值的内容
研究团队还探索了DCF在纺织品、复合材料和高性能碳材料中的应用潜力。例如，DCF可以用于制备高强度纺织品和抗冲击复合材料，其碳化后的产品具有优异的导电性和导热性，为先进碳材料的开发提供了新途径。