《Advanced Science》：Dramatic Enhancement and Integration of Properties in Pork Belly-Inspired All-Biomass Composite Films via Facile, Sustainable, and Controllable Design
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尽管全生物质复合膜因可再生、可降解与可持续性，在集成电磁干扰（EMI）屏蔽、热管理与力学性能方面有望替代传统柔性电子材料，但其性能短板严重制约实际应用。研究人员提出一种受五花肉分级结构启发的高效层状组装策略，构建由纤维素纳米纤维（CNFs）、石墨化碳纳米片（G
尽管全生物质复合膜因可再生、可降解与可持续性，在集成电磁干扰（EMI）屏蔽、热管理与力学性能方面有望替代传统柔性电子材料，但其性能短板严重制约实际应用。研究人员提出一种受五花肉分级结构启发的高效层状组装策略，构建由纤维素纳米纤维（CNFs）、石墨化碳纳米片（GCNs）与明胶组成的全生物质交替多层（AM）仿生复合膜。通过GCNs、CNFs与明胶之间的协同相互作用形成稳健分级多层结构，实现高效应力传递、声子输运与电磁衰减。结果表明，AM-7复合膜拉伸强度达121.20 MPa，较CF与CG膜分别提升266%与199%；面内热导率达6.34 W·m?1·K?1，EMI屏蔽效能达56.35 dB。该工作为农业废弃物高值利用及高性能多功能生物质基复合材料设计提供了可持续新策略。
研究背景与问题提出：随着柔性电子、可穿戴设备与航空航天装备向轻量化、高集成度发展，电磁干扰（EMI）污染与热积累问题日益突出。传统屏蔽材料多依赖金属或合成碳基材料，存在成本高、柔性差、难降解等局限；而全生物质复合材料虽具可持续优势，却普遍面临力学性能弱、导热低、屏蔽效能不足的“性能权衡”困境。农业废弃物（如小麦秸秆）资源丰富，但多以焚烧、填埋等低值方式处置，亟需通过结构设计与界面调控实现高值功能化利用。
研究内容与结论：研究人员受五花肉分级层状结构启发，提出层状交替组装（layer-by-layer assembly）策略，以小麦秸秆衍生纤维素纳米纤维（CNFs，纤维素纳米纤维）为骨架、石墨化碳纳米片（GCNs，graphitized carbon nanosheets）为导电导热相、明胶为增韧界面层，构建交替多层（AM）全生物质复合膜。通过热压形成强氢键与π–π堆积界面网络，在AM-7体系中实现拉伸强度121.20 MPa、面内导热6.34 W·m?1 ·K?1 、X波段EMI屏蔽效能56.35 dB的协同突破。该工作为农业废弃物高值转化与下一代绿色柔性电磁防护/热管理材料提供了可控制备新范式，发表于《Advanced Science》。
主要关键技术方法：研究人员以安徽安庆农田小麦秸秆为初始生物质样本，依次通过脱木质素、低共熔溶剂处理与超声制备CNFs；秸秆生物炭经KOH活化、1600℃石墨化与闪蒸焦耳加热（flash Joule heating, FJH）制得GCNs；采用真空抽滤构建CNF/GCN（CG）层、浇铸构建明胶/GCN（GG）层，交替堆叠后20 MPa热压成型AM-3/5/7膜。表征端联用SEM-EDS、FTIR、XRD、SAXS/WAXS、XPS与TGA解析界面与结构；力学以万能试验机测试；热导通过激光闪射法结合COMSOL有限元模拟；EMI屏蔽采用矢量网络分析仪在X波段（8.2–12.4 GHz）评估；辅以DFT与分子动力学揭示界面作用机制。
研究结果：
3.1 形貌与结构表征（Morphology and Structural Characterization）：通过SEM、EDS、FTIR、XRD、XPS与SAXS/WAXS表征，证实AM-7具清晰交替多层界面，C/O均匀分布、N富集明胶层；组分间以氢键、π–π堆积与极性作用物理组装，无新共价键或晶相生成，三元体系总能量最低、界面最稳。
3.2 力学性能（Mechanical Properties）：应力–应变测试与分子动力学显示，随层数增加强度与模量显著提升，AM-7达121.20 MPa与4.62 GPa；裂纹沿界面偏转、氢键网络耗能，CNFs骨架+明胶增韧+GCNs机械互锁共同抑制失效。
3.3 热管理性能（Thermal Management Performance）：激光闪射与有限元模拟表明，材料呈强各向异性导热，面内GCN连续网络主导声子输运，层间界面散射抑制面外传热；AM-7面内导热6.34 W·m?1 ·K?1 。
3.4 电磁干扰屏蔽性能（Electromagnetic Interference Shielding Performance）：X波段测试显示AM-7平均SE 56.35 dB，屏蔽效率99.9998%；以吸收损耗为主（SEA /SER >3），导电网络、界面极化与多重散射协同衰减电磁波，实测特斯拉线圈辐射场强由752 V·m?1 降至17 V·m?1 。
讨论与结论翻译：讨论指出，多层架构通过界面工程调和了“强–导–热”矛盾，三元物理协同优于二元体系。结论如下：研究人员受五花肉层级结构启发，经层状组装制备CNFs/GCNs/明胶AM仿生膜；强氢键与π–π堆积构筑稳健分级多层，使AM-7获121.20 MPa拉伸强度（较CF、CG分别+266%、+199%）、4.62 GPa模量、5.06%断裂伸长、3.60 MJ·m?3 韧性、6.34 W·m?1 ·K?1 面内导热与56.35 dB EMI屏蔽效能，彰显了全生物质复合材料在电磁防护与热管理中应用潜力。
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