纤维素是一种构建自组装手性光子结构的极具成本效益的资源，常见的结构组装单元有羟丙基纤维素，乙基纤维素和纤维素纳米晶。其中，纤维素纳米晶（CNC）是一种最具代表性的对象。自组装CNC的优势与多种模板剂的结合，为新型物理化学传感器，结构色涂层和光学器件的开发提供了理想平台。但是，这些光子CNC材料因其固有的易受水影响和易于开裂的特征，而广受质疑，这极大地限制了它们在实际中的应用。主要原因有：1）缺乏合适的粘结剂相来平衡刚性CNC的能量耗散，从而影响结构的完整性；2）纤维素材料由高度亲水的 β-（聚1,4- D-葡萄糖）单元组成，它们的固体膜通常在水中溶胀。迄今为止，用于制造柔性，水稳定和光学功能的CNC材料的便捷策略仍然是一个挑战。
近日，中国科学院大连化物所的卿光焱研究员等人在《 ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为Highly Strong and Solvent-Resistant Cellulose Nanocrystal Photonic Films for Optical Coatings的文章，第一作者为博士生张福生。该工作介绍了一种耐溶剂能力强和机械性能好的纤维素复合膜制备方法，同时展示了该材料的一系列光学特性，如可调结构色和选择性圆偏振光。
通常情况下，刚性CNC与柔性聚合物复合来提升自身的机械性，但是，这并不能改变此类光学复合材料的恐水缺陷。为了实现水稳定性，该工作以聚乙烯醇（PVA）和CNC的复合体系为例，引入戊二醛（GA）的交联反应，将两种有序组装的硬/软纳米复合材料固定（图1）。这种化学作用过程中消耗了大量纤维素和聚乙烯醇表面的羟基，极大的改善了光学复合膜的溶剂耐受能力（图2）。例如，一个1.5 wt ％GA交联的70 wt ％CNCs加载膜，用苛刻的亲水性暴露（浸泡在强酸，强碱和海水中）和各种有机溶剂进行处理，这些薄膜均展现出优异的结构稳定性（图3）。同时，这种化学交联作用赋予了有序CNC层间的能量耗散，使得CNC光学膜的柔韧性和机械强度进一步提升。该薄膜可以承受166 g cm –2的重量而不会失效，这是一种高度坚硬和耐用的特性（图4）。此外，该膜仍是高度有序的手性向列型结构，能够选择性反射左旋圆偏振光，并在可调结构色涂层方面展现出应用潜力（图5）。这项工作将为低成本和耐用性的光子纤维素涂层应用及高端生物电子开发铺平道路。
图1戊二醛交联的CNC/PVA复合膜的制备原理图
图2.CNC/PVA-GA膜的化学交联原理和界面微观分布状态
图3.CNC/PVA-GA膜在多种溶剂下的稳定性实验
图4.CNC/PVA-GA膜的机械性能表征
图5.CNC/PVA-GA膜的左旋圆偏光特性，结构色可调性以及图案化涂层应用
来源：高分子科学前沿
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