超声调控纤维素纳米晶自组装薄膜的 vibrant 结构色及其在土壤湿度可视化检测中的应用

针对结构色材料高饱和度与绿色降解难以兼得的挑战，研究人员以纤维素纳米晶(CNCs)为原料，通过超声能量扰动调控蒸发诱导自组装(EISA)，成功制备出具有手性结构和可调 vibrant 结构色的全纤维素光子晶体薄膜。该薄膜通过超声能量精确调控反射波长和螺旋间距，尺寸均一性赋予其明亮色彩，并基于CNCs的水响应性、生物相容性和土壤降解性，开发出环境友好的土壤湿度可视化传感器。

　　

在自然界中，色彩不仅是美的象征，更是生物与环境交互的重要媒介。从远古矿物颜料到植物染料，人类始终追求色彩的持久性，但化学染料的氧化和光降解问题始终难以克服。相比之下，结构色——这种源于微观结构与光相互作用的物理显色方式，因其永不褪色的特性备受关注。蝴蝶翅膀、孔雀羽毛的绚丽色彩正是源于精密的纳米结构。科学家们试图模仿这种自然造物，但现有材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚苯乙烯@二氧化硅(PS@SiO₂
)虽能实现鲜艳结构色，却存在毒性大、难降解的环境隐患。

在这一背景下，中国的研究团队将目光投向了地球上最丰富的生物聚合物——纤维素。纤维素纳米晶(CNCs)作为纳米纤维素的典型代表，具有直径约30 nm、长度数百纳米的均一尺寸，能在蒸发诱导自组装(EISA)过程中形成手性向列相结构，产生结构色。然而，传统方法需添加聚乙二醇(PEG)等助剂调控色彩，这些添加剂会破坏CNCs的本征性质。研究团队创新性地采用超声能量扰动策略，通过机械振动产生的空化效应实现CNCs的均匀分散，无需化学添加剂即可精确调控薄膜的光学特性。

研究团队首先通过硫酸酸解微晶纤维素(MCC)制备CNCs，原子力显微镜(AFM)显示其长度272 nm、宽度46 nm的均一纳米棒状结构。关键突破在于利用超声处理调节CNCs表面电荷分布，通过改变输入超声能量(0-900 J/mL)，实现了反射波长从紫外(360 nm)到近红外(800 nm)的连续调控。当超声能量为540 J/mL时，薄膜呈现明亮的蓝色结构色，反射峰位于460 nm，色纯度达92%。这种色彩调控源于超声诱导的CNCs螺旋间距变化：随着能量增加，间距从初始的280 nm逐渐减小至180 nm，导致布拉格反射波长蓝移。

薄膜的环境响应性测试显示，其反射波长会随相对湿度(RH)从20%升至90%而发生60 nm的红移，且循环测试100次后仍保持稳定。将薄膜埋入土壤15天后，扫描电镜(SEM)观察到明显的纤维断裂和孔洞形成，30天后完全降解。基于这一特性，团队开发了土壤湿度可视化检测系统：当土壤含水量从5%增至40%时，薄膜颜色从紫色渐变为红色，肉眼可辨。

这项发表于《International Journal of Biological Macromolecules》的研究，首次实现了全纤维素基结构色薄膜的无添加剂精准调控。超声物理场调控策略避免了化学改性对材料环境友好性的破坏，尺寸均一的CNCs保证了色彩的高饱和度。所开发的土壤湿度传感器兼具快速响应(<10秒)、完全生物降解和低成本(每片约0.2元)等优势，为智能农业和环境监测提供了新思路。研究团队特别指出，该方法可扩展至其他生物质纳米材料的结构色调控，为绿色光子学器件设计开辟了新路径。

主要技术方法包括：硫酸酸解制备CNCs、超声能量调控(0-900 J/mL)、蒸发诱导自组装成膜、原子力显微镜(AFM)表征纳米结构、紫外-可见光谱测定反射波长、扫描电镜(SEM)观察降解形貌。

研究结果可归纳为：

1. 材料制备：通过硫酸水解获得尺寸均一的CNCs，AFM证实其纳米棒状形态。
2. 超声调控机制：超声能量改变CNCs表面电荷，540 J/mL处理时获得最佳蓝色结构色(460 nm)。
3. 光学性能：薄膜色纯度达92%，湿度响应导致反射波长60 nm偏移且循环稳定。
4. 环境应用：土壤中30天完全降解，湿度检测范围5%-40%对应可见光谱变化。

结论部分强调，该研究开创了物理场调控生物质光子晶体的新范式，所制备的全纤维素薄膜兼具 vibrant 结构色和生态环境相容性，突破了传统结构色材料"高饱和必不环保"的局限。特别是将农业废弃物转化为高附加值光学传感器的策略，为生物质资源的高值化利用提供了示范。