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为解决纤维素纳米纤维（CNFs）难以精确操控成智能光学系统的问题，研究人员开展构建机械变色 CNF 水凝胶（MCNFHs）的研究。结果制备出的 MCNFHs 性能优异，可用于压力传感、光学加密等，为高性能机械变色材料开辟新路径。
在材料科学的广阔领域中，机械变色材料就像一位神奇的魔术师，能够在机械刺激下改变自身的光学特性，比如透明度、颜色或者发光强度，这一奇妙的特性让它在机械传感、加密设备以及医疗保健等众多领域都展现出巨大的应用潜力。而纤维素，这种大自然植物组织的基础成分，更是蕴含着独特的光学奥秘。从纤维素衍生而来的纳米纤维素，分为纤维素纳米晶体（CNCs）和纤维素纳米纤维（CNFs）。其中，CNCs 凭借其独特的周期性螺旋结构，能形成具有手性向列相的溶致液晶，在先进光学应用中备受关注。但 CNFs 却没那么 “听话”，它在形态和尺寸上存在着固有的差异，表面化学性质也各不相同，这使得它很难被精确地组装成光子材料，难以实现可控的取向和均匀的光学性质，就像一群调皮的小精灵，难以被规整地排列起来。并且，CNFs 通常会形成复杂的缠结网络，抗拒着科研人员的精确操控。目前，虽然有不少研究探索了制备机械变色纤维素基水凝胶的方法，但基于 CNFs 的机械变色水凝胶研究依旧进展缓慢，已有的 CNF 水凝胶或气凝胶大多只能呈现出虹彩颜色，无法满足机械变色应用中对单一干涉色的需求。
为了攻克这些难题，南京林业大学的研究人员勇敢地踏上了探索之旅。他们开展了一项关于构建机械变色纤维素纳米纤维水凝胶（MCNFHs）的研究。经过不懈努力，研究人员成功制备出了 MCNFHs，这种水凝胶展现出了高度灵敏的机械变色褪色响应。通过巧妙地调整 TEMPO 氧化时间，优化氧化纤维素纳米纤维（TOCNs）的尺寸和形态，研究人员获得了在微应变下具有均匀且可调节双折射的水凝胶。令人惊喜的是，MCNFHs 能够呈现出从黄色到红色、蓝色、绿色等多种双折射颜色，并且这些颜色之间的转变清晰、易于识别。这一成果意义非凡，它为压力传感、微应变检测提供了强大的平台，还成功应用于光学编码系统中的光学加密领域，为高性能 CNF 基机械变色材料的发展指明了新方向。该研究成果发表在《Carbohydrate Polymers》上。
研究人员在这项研究中运用了几个关键技术方法。首先是 TEMPO 介导氧化法，利用该方法对从树木中提取的天然纤维素进行处理，将其 C6羟基转化为羧基，制备出具有可调节尺寸和丰富表面电荷的纤维素纳米纤维（CNFs）。然后通过高压均质化对氧化后的纤维进行机械解纤，获得能稳定分散在水中的 TEMPO 氧化纤维素纳米纤维。最后采用简单可行的气相凝聚法，成功构建出 MCNFHs。
下面来详细看看研究结果。
MCNFHs 的设计与制备：研究人员先从树木中提取具有分层结构的天然纤维素，利用 TEMPO 氧化法对其进行处理，再通过高压均质化机械解纤，得到能稳定分散在水中的 TEMPO 氧化纤维素纳米纤维。在此基础上，运用气相凝聚法成功制备出 MCNFHs。这一系列操作就像是精心打造一件艺术品，每一步都至关重要，为后续的优异性能奠定了基础。
MCNFHs 的性能表现：制备出的 MCNFHs 展现出了卓越的性能。它具有出色的耐溶剂性、机械变色可逆性和机械变色敏感性。在仅仅 0.36 N 的负载、1.2 KPa 的压力和 15% 的应变下，就能实现从黑色到黄色、红色、蓝色和绿色的转变。这种在极低压力下的精确且可预测的颜色转变，是以往相关材料难以企及的，充分显示出 MCNFHs 在压力传感和微应变检测方面的巨大优势。
MCNFHs 的应用探索：研究人员还将 MCNFHs 应用于光学编码系统中的光学加密领域。实验证明，这些新的 MCNFHs 能够顺利地在该领域发挥作用，为光学加密技术提供了新的材料选择，展现出了良好的应用前景。
在研究结论和讨论部分，这项研究成功开发出了具有高度灵敏机械变色响应的纯纤维素纳米纤维水凝胶（MCNFHs）。通过调控 TEMPO 氧化时间优化 TOCNs 的特性，实现了水凝胶在微应变下的理想性能。MCNFHs 丰富的双折射颜色变化和优异的性能，使其在压力传感、光学加密等多个领域都具有极大的应用潜力。该研究为高性能 CNF 基机械变色材料的发展提供了一种通用策略，无需对 CNFs 进行复杂的预组装或精确操控，这一突破为相关领域的研究开辟了新的道路，有望推动机械变色材料在更多实际应用场景中的发展，让我们对未来材料科学的进步充满期待。
