一切的起源……现状如何：从全聚合物电池到生物纤维——一场基于生物技术的创新之旅

《Nano Letters》：How It Started...How It Is Going: From All-Polymer Batteries to Living Fibers?A Journey through Biobased Innovation

导电聚合物纳米纤维素复合材料的研究及在生物基材料、自组装技术、真菌生物电池和活性材料中的应用，推动可持续能源与多尺度材料结构发展

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那篇最初的论文不仅仅向科学界分享了数据；它还帮助塑造了我跨学科的研究方向以及我们如今所进行的研究的非传统性质。

回顾我作为博士生的早期时光，我记得提交第一篇学术论文时的兴奋心情。当时，我在乌普萨拉大学的Maria Str?mme教授实验室工作，研究导电聚合物（聚吡咯）在纤维素纳米纤维表面的模板聚合现象。我记得自己被这种能够同时高效导电和传输离子的聚合物材料所吸引。通过透射电子显微镜（TEM），我们发现纤维素纳米纤维表面覆盖着一层几十纳米厚的聚吡咯层。我们推测，这种聚合物在纤维素纳米纤维表面的模板作用使得导电聚合物链得以有序排列，从而优化了电子导电性，而薄层结构则促进了离子的快速传输。这种导电纳米纤维的独特结构还使我们能够将材料加工成水凝胶和类似纸张的膜状形式。

我们特别兴奋的是这些材料具有快速电化学氧化和还原的潜力，这一点我们在一个全聚合物电池（更准确地说是超级电容器）中得到了验证，该电池利用了聚吡咯的赝电容行为。我的第一篇学术论文能够在纳米技术、纳米尺度及跨学科材料科学领域的顶级期刊《Nano Letters》上发表，这一成就是我职业生涯中难以忘怀的里程碑。(1)

在那篇论文发表之后，我的职业发展完全超出了我的预期。我逐渐投身于生物基纳米材料的研究领域，从基础纳米尺度研究转向了关注可持续性的实际应用。完成博士学位后，我加入了KTH皇家理工学院的Lars W?gberg教授的实验室，担任博士后研究员。他的实验室致力于研究有序胶体纳米纤维的特性。那是一段非常激动人心的时光，因为我有机会深入探索纳米纤维素的胶体性质及其逐层自组装过程。我们研究了不同电荷的纤维素纳米晶体和纳米纤维在胶体玻璃和凝胶中的运动规律，以及液晶相的早期形成机制。(2,3)

逐层自组装的研究补充了我之前在电子材料方面的经验。我们在组装的多层结构中引入了表面功能化的碳纳米管，赋予材料电子和电化学功能。这项研究最终促成了在复杂纤维素泡沫框架内成功构建储能器件。(4)

随后，我在苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）继续博士后研究，加入Raffaele Mezzenga教授的实验室，研究单根纤维素和蛋白质纳米纤维的结构与手性、它们的液晶自组装及其在功能材料中的应用。来自纳米纤维素研究领域的我，很欣慰地发现了这两种系统之间的相似性和潜在协同作用。前者（纳米纤维素）是通过物理和化学方法自上而下构建的，形成刚性高长径比的胶体，通常带有单一官能团；而后者（淀粉样纤维）则是自下而上的超分子组装，由半柔性纤维构成，带有多种官能团，并具有特定的材料亲和性，这些特性由天然蛋白质组成决定。

通过高分辨率原子力显微镜（AFM）结合统计分析，我们直接观察到了纳米纤维素系统中单个纤维的右旋手性，这与淀粉样纤维的典型左旋手性形成了对比。(5) 这一发现建立了单个纳米纤维素纤维的右旋手性与手性向列液晶相的左旋手性之间的直接关系。(6)

我们知道，较短的纤维素纳米晶体可以形成稳定的手性向列相，而较长的弯曲纤维素纳米纤维则倾向于形成凝胶或玻璃态结构。基于这一认识，我们尝试利用超声或流体剪切技术将淀粉样纤维物理破碎成更短的片段。有了这些短淀粉样纤维，我们首次实现了它们的液晶组装，并成功识别出了淀粉样纤维的手性向列相——与纳米纤维素的情况相反，这次是从左旋手性转变为右旋胆甾相。(7)

利用淀粉样纤维与无机物之间的独特相互作用，我们像在最初的那篇《Nano Letters》论文中一样，探索了淀粉样纤维作为功能材料模板的应用。我们合成了一类具有可调金颗粒大小、形状和组成的超多孔金气凝胶，这种新型气凝胶的重量比传统金合金轻多达三个数量级，同时还具备额外的催化和传感功能。(8)

从对生物基胶体自组装的基础理解，到将材料功能从纳米尺度转移到宏观尺度，这些经历对我的当前研究产生了深远影响。如今，我在瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）领导自己的研究团队。我们的工作仍然聚焦于生物基构建块和多尺度材料结构，强调提高可持续性、最大化资源利用以及定制材料功能。我们的团队处于材料科学、纳米技术、生物学和以可持续性为中心的创新领域的交叉点——这些主题都与《Nano Letters》的跨学科定位高度契合。

延续那篇关于导电聚合物超级电容器的论文开启的研究方向，我们实现了全3D打印的超级电容器、(9) 水激活纸电池(10) 以及真菌生物电池(11)。这些都是利用生物基和可降解材料作为活性组分的储能系统，同时保持了优异的储能性能。此外，我们还在积极研究将真菌等微生物融入材料和应用中，以替代传统化石基成分。最近的一个亮点是发现了由真菌生物质制成的活纤维，这种纤维结合了胶体纤维加工的优点和生物材料的动态功能。(12) 这些活纤维能够产生随时间稳定化的活性乳液，其薄膜中的活性成分还可以根据需要调节机械性能。这些系统不仅可降解，还具有生物降解功能。

回顾这段历程，我首先衷心感谢我的导师和科学合作者。其次，我也非常感谢《Nano Letters》的编辑们——那篇最初的论文不仅仅向科学界分享了数据；它还帮助塑造了我跨学科的研究方向以及我们如今所进行的研究的非传统性质。

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