近日，中国科学院大连化学物理研究所卿光焱研究员与武汉纺织大学张福生副教授在AMR发表述评文章“Matrix-Engineered Cellulose Nanocrystals for Robust and Water-Stable Chiral Photonic Devices”，系统梳理了纤维素纳米晶体（CNC）手性光子结构的构筑方法及其基质工程调控策略，总结了近年来在提升材料环境稳定性与工程可靠性方面的重要进展，并展望了该类材料在功能结构色与光子器件中的应用前景。

关键词：纤维素纳米晶体，手性光子结构，水稳定性，可拉伸性，光子水凝胶

原文提要：

Cellulose nanocrystals (CNCs), derived from biomass via chemical extraction, exhibit a remarkable capacity for spontaneous chiral self-assembly, leading to hierarchically structured materials that integrate chemical, physical, optical, and chiral properties.

This Account highlights how matrix engineering transforms inherently fragile and water-labile CNC assemblies into robust, environmentally stable functional materials, marking a pivotal paradigm shift in sustainable photonics.

Key strategies─including covalent cross-linking, photopolymerization-based hybridization, hydrogen-bond reinforcement, and crystalline regulation─are discussed for transforming this burgeoning green material into practical optical and sensing devices.

文章内容简介

纤维素纳米晶体（CNCs）源于生物质材料的化学提取，具有卓越的自发手性自组装能力，可形成集化学、物理、光学及手性特性于一体的层级结构材料。借助 CNCs 固有的可再生性与生物降解性，将其组装为手性光子结构已成为开发可持续光学材料的极具潜力的策略，为传统颜料和涂层提供了环境友好型替代方案。通过与多种功能前驱体共组装，可进一步构建手性向列相纳米材料，拓展其在圆偏振发光、光学传感等领域的应用潜力。近期研究进展表明，基于 CNCs 的材料凭借可调谐结构色、定制化圆偏振发光及刺激响应型光学开关特性，在光子学领域的作用日益凸显。因此，螺旋状 CNC 框架成为可持续设计范式下开发先进光学材料的极具吸引力的平台。

尽管具备上述优势，CNC 基结构色薄膜及手性光子器件的实际应用仍受限于其固有的水敏感性和机械脆性。这些缺陷源于 CNCs 的高亲水性（在潮湿环境中易溶胀并发生结构崩解）及其致密的氢键网络（限制分子链迁移率，导致脆性断裂）。

在本文中，我们系统总结了纤维素纳米晶体（CNC）手性光子材料的构筑方法及性能调控进展，重点阐述了“基质工程（matrix engineering）”在提升材料稳定性方面的核心作用。文章梳理了通过聚合物复合、化学交联与界面调控等策略，在维持其手性光子结构的同时显著增强材料耐水性及力学可靠性的研究路径，并进一步探讨了这类可持续手性光子材料在结构色显示、光学传感与光子器件等领域的应用潜力。

您选择该领域的初心是？

作者团队：

我们最初关注CNC手性光子材料，是因为其具备可再生来源、能自发形成独特的手性向列结构，并展现出丰富可调的结构色。然而随着研究的深入，我们发现材料在实际环境中的稳定性是制约其走向应用的关键瓶颈。这促使我们从材料工程的角度出发，探索如何在保持其优美手性结构的前提下，赋予材料更强的稳定性、可靠性以及实际应用可能。

您觉得该领域可能会出现哪些研究机会？

作者团队：

我们认为该领域未来的重要研究方向主要集中在以下三个方面：一是手性光子结构形成过程的可控性与可重复性；二是材料在真实复杂环境中的长期稳定性；三是实现从实验室制备到器件化与规模化的跨越。这些问题的突破，将直接决定CNC手性光子材料能否真正走向实际应用。

您有何科研心得想分享给读者们?

作者团队：

在科研探索中，我深刻体会到应尽早思考研究的“落地可能性”。除了关注材料本身的结构与性能，也要不断追问：它是否足够稳定？是否具备可扩展性？只有将工程思维融入基础研究，工作才能持续推进，并产生更长远的价值。

作者团队简介

卿光焱，中国科学院大连化学物理研究所生物技术部研究员，国家优秀青年科学基金获得者（结题优秀）。长期致力于智能聚合物、生物界面、纳米孔传感及智能分离材料等领域的研究。主持国家科技部重点研发子课题、国家自然科学基金、中国科学院先导B课题等，以通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. Adv., Nat. Commun., Acc. Chem. Res., Acc. Mater. Res.等国际知名期刊上发表学术论文110篇。

张福生，武汉纺织大学化学与化工学院副教授。2022年于中国科学院大连化学物理研究所获得博士学位，同年加入武汉纺织大学。现主持国家自然科学青年基金项目，主要从事纳米纤维素自组装及其手性功能化研究。以第一或通讯作者在Acc. Mater. Res., Adv. Mater., Mater. Today, Adv. Funct. Mater., ACS Nano等期刊发表学术论文18篇。入选湖北省武汉英才计划，曾获中国科学院大连化学物理研究所 “优秀博士后” 称号。

李琼雅，中国科学院大连化学物理研究所硕博连读研究生，致力于纤维素纳米晶体手性光子水凝胶的可控构筑及其增强机制研究，重点通过原位拉曼光谱与小角XRD解析结构‑性能关系。计划于2026年1月毕业，并正寻求海外博士后研究机会。

卿光焱研究员课题组合影

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Matrix-Engineered Cellulose Nanocrystals for Robust and Water-Stable Chiral Photonic Devices

Fusheng Zhang, Qiongya Li, and Guangyan Qing*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00253

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