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针对纳米纤维素湿度敏感性及水合界面细观力学机制解析难题，研究人员开发整合非共价相互作用与纤维层级堆叠的粗粒度（CG）模型。发现适度水合可通过塑化氢键网络增强强度与韧性，过量则削弱剪切强度，确定～120-180 nm 最佳重叠区间，为设计强韧纳米复合材料提供理论支撑。
在生物基材料的研究领域，纳米纤维素因其可再生、可降解及优异的力学性能，成为构建可持续材料的核心要素。然而，这类材料对湿度环境极为敏感，水合界面处隐藏的细观力学机制如同被迷雾笼罩 —— 水分子如何与纤维素纳米纤维（CNFs）表面的氢键网络相互作用？纤维间的重叠长度又怎样通过非共价键影响应力传递？现有基于分子建模的力学框架，难以在介观尺度预测水合界面介导的力学行为，导致微观界面特性与宏观力学性能之间的关联研究陷入瓶颈。就像试图用低分辨率的镜头拍摄精细图案，无法清晰捕捉纳米纤维素在潮湿环境中 “强度与韧性此消彼长” 的复杂动态。
为了破解这一困局，中国科学技术大学的研究团队开展了一项具有突破性的研究。他们开发了一种整合非共价相互作用与纤维层级堆叠（hierarchical stacking）的粗粒度（CG）模型，旨在打通从微观水合界面到宏观力学调控的跨尺度研究链路。这项成果发表在《Extreme Mechanics Letters》，为纳米纤维素基材料的设计提供了关键的理论钥匙。
研究人员主要采用了粗粒度分子动力学（CG-MD）模拟技术，并结合全原子（AA）模拟进行模型验证。通过构建具有均匀交错结构的纤维素纳米纤维层级复合材料模型，重点考察了纤维重叠长度、水合程度对界面力学行为的影响。研究中特别关注了氢键网络的动态变化与界面滑移、断裂之间的相互作用，避免了传统全原子模型在介观尺度模拟中的计算瓶颈。
结果与讨论
通过粗粒度模型模拟，研究团队发现纳米纤维素的模量与强度随纤维重叠长度呈现规律性变化，直至进入以纤维断裂为主导的饱和状态。这一现象表明，在重叠长度较短时，界面非共价键的滑动是主要力学响应机制；而当重叠长度超过临界值后，纤维本体的断裂成为主导因素。
水合程度对界面力学的影响呈现出 “双刃剑” 效应：适度水合（如相对湿度维持在 40%-60% 区间）能够通过塑化氢键网络，同时提升材料的韧性与强度，此时氢键的动态重组能力增强，允许界面在受力时发生可控滑移而不立即断裂；然而，过量水合会导致水分子大量侵入纤维界面，削弱氢键密度，显著降低剪切强度，就像过量的润滑剂会使齿轮间的咬合变得松散。
研究还突破了全原子模拟的尺度限制，首次确定了一个水合界面协同增强强度与韧性的最佳纤维重叠区间（~120-180 nm）。在这一区间内，纤维间的非共价相互作用网络达到最优平衡 —— 既保证了足够的应力传递效率，又为界面塑性变形提供了空间，如同精密设计的机械接口，在强度与灵活性之间找到了完美支点。
结论与意义
这项研究构建了纳米纤维素材料跨尺度理论建模框架，首次将微观水合界面特性与宏观力学调控直接关联。其核心价值在于：一方面，揭示了湿度敏感环境下纳米纤维素力学行为的 “湿度 - 重叠长度” 双调控机制，修正了传统剪切滞后模型在潮湿条件下的局限性；另一方面，为设计具有弱非共价界面的强韧纳米复合材料提供了自下而上的理论指导，例如在环保型胶粘剂、柔性电子器件基底等领域，可通过精准调控纤维水合状态与堆叠结构，实现材料性能的定向优化。
值得关注的是，该模型的普适性有望拓展至其他基于非共价相互作用的纳米材料体系，如碳纳米管（CNT）束、蛋白质纤维组装体等，为解决类似的跨尺度力学问题提供方法论参考。随着全球对可持续材料需求的激增，这项研究如同为纳米纤维素基材料的设计打开了一扇精准调控的窗口，让科学家能够从分子层面 “编织” 出兼具强度与环境适应性的下一代生物基材料。
