在纤维材料领域，同时提升其强度和韧性是一项长期挑战，尤其在需要承受高应变率和弹道冲击的先进防护系统中。合成纤维的这两种力学性能常因材料设计的内在权衡而难以兼得。相比之下，天然材料如木材，进化出了多级有序的结构，能有效协同强度与韧性。其细胞壁中纤维素纳米纤丝的高度有序排列提供强度，而半纤维素和木质素基质通过牢固的界面相互作用（如果胶中硼酸盐介导的共价交联）提供增韧和能量耗散机制。这一自然设计范式为构建同时具备超高强度和韧性的纤维材料提供了灵感。 据此，北京大学张锦教授、北京石墨烯研究院蹇木强副研究员（共同通讯作者）报道了一种受植物细胞壁启发的界面桥联策略，成功制备出超强且高韧的碳纳米管纤维。该方法依次将聚吡啶并双咪唑纳米纤维/链和硼酸盐注入碳纳米管纤维网络中，随后进行机械致密化。PIPD分子的主链由交替的吡啶并双咪唑和二羟基苯环构成，能与碳纳米管形成氢键和硼酸盐介导的共价交联网络。最终获得的纤维展现出超高的拉伸强度（8.45 GPa）和韧性（238.42 MJ·m⁻³），超越了多数商用高性能纤维，并表现出优异的抗冲击性能。
2025年12月23日，相关论文以“Plant Cell Wall-Inspired Interfacial Bridging Enables Ultrastrong and Tough Carbon Nanotube Fibers”为题发表在ACS Nano上。 首先通过浮动催化化学气相沉积法制备了原始碳纳米管纤维，并经过纯化和功能化处理，在其表面引入羟基，得到功能化碳纳米管纤维。如图1所示，受植物细胞壁多级结构和硼酸交联化学的启发，设计了一种仿生制备流程。功能化碳纳米管纤维首先在含有PIPD的氯磺酸溶液中浸润并轴向拉伸，使PIPD分子链渗入网络形成氢键结合，得到排列更规整的PIPD-CNTFs。随后，将其浸入硼酸盐溶液中，诱导PIPD与碳纳米管表面的羟基形成牢固的共价交联，得到CL-PIPD-CNTFs。最后，通过机械辊压进一步致密化，获得最终的D-CL-PIPD-CNTFs。性能对比显示，经过这一系列优化，纤维的拉伸强度、韧性、杨氏模量和导电性相比初始功能化纤维实现了数倍的提升。 图1. CNTFs的制备与性能。 a) 植物细胞壁中赋予其高强高韧性的分级结构和硼酸盐介导交联示意图。 b) 通过氢键和硼酸盐介导共价键进行顺序界面桥接制备CL-PIPD-CNTFs的流程图。 c) 不同CNTFs的力学和电学性能对比。 d) FCNTFs与D-CL-PIPD-CNTFs的力学性能对比。 为了揭示结构演变，研究人员进行了系统的表征。扫描电镜图像（图2）清晰显示，初始的功能化碳纳米管纤维结构松散、存在大量孔隙。而经过PIPD浸润、硼酸交联及辊压处理后，纤维的横截面呈现出高度致密且排列有序的碳纳米管束结构。高角环形暗场扫描透射电镜图像及相应的碳、氮、硼元素分布图证实了PIPD和硼酸交联剂在纤维截面中的均匀分布。X射线散射分析表明，纤维的取向度和致密性在每一步处理中都得到显著提升。 图2. CNTFs的结构表征。 a, b) FCNTFs的SEM图像。 c, d) CL-PIPD-CNTFs的SEM图像。 e, f) 通过聚焦离子束制备的CL-PIPD-CNTFs截面SEM图像。 g) CL-PIPD-CNTFs径向截面的HAADF-STEM图像。 h–j) 对应的氮(N)、碳(C)和硼(B)元素分布图。 (k) 不同纤维的赫尔曼取向因子对比。 卓越的结构优化直接转化为了出色的力学性能。如图3所示，D-CL-PIPD-CNTFs的应力-应变曲线展现出极高的强度和断裂能。其拉伸强度、韧性均大幅优于处理前的纤维及其他报道的高性能纤维。为了探究增强机理，团队进行了应力松弛和原位拉曼光谱测试。结果表明，硼酸交联和氢键共同构成的强界面相互作用，有效抑制了碳纳米管间的滑移，实现了高效的负载传递。第一性原理计算进一步量化了这种界面桥联的力学贡献：硼酸盐介导的共价键比氢键具有更高的界面剪切强度和临界剪切应变，而氢键则具有动态可逆性，二者的协同作用共同造就了强韧的界面。 图3. CNTFs的力学性能与增强机制。 a) FCNTFs、CSA-CNTFs、PIPD-CNTFs、CL-PIPD-CNTFs和D-CL-PIPD-CNTFs的代表性应力-应变曲线。 b) 不同CNTFs的拉伸强度对比。 c) 本工作CNTFs与其他尖端高性能纤维的拉伸强度和韧性对比。 d) 不同纤维在1.5%应变下的应力松弛曲线。 e, f) FCNTFs和CL-PIPD-CNTFs的拉曼频率随施加应变的偏移情况。 g, h) 剪切载荷前后，具有硼酸盐介导共价键和氢键的界面结构的原子模拟图。 i) CNTFs中具有硼酸盐介导共价键和氢键的界面结构的剪切力-剪切应变曲线。 除了准静态力学性能，该纤维在动态冲击下的表现同样惊人。如图4所示，通过激光诱导微弹冲击测试评估其抗侵彻性能。CL-PIPD-CNTFs展现了高达1.26 MJ·kg⁻¹的比侵彻能，超过了钢材、铝合金和凯夫拉等传统防护材料。这种优异的抗冲击性归因于纤维内部高度有序的结构和强界面相互作用，使得更多碳纳米管能在动态载荷下协同承载并有效耗散能量。 图4. CNTFs的比穿透能量。 a) 激光诱导微弹冲击纤维的示意图。其中，vi和vr分别代表微弹的冲击速度和残余速度，PDMS表示聚二甲基硅氧烷。 b, c) 记录微弹冲击和穿透FCNTF及CL-PIPD-CNTF过程的时序数字图像。 d) 不同CNTFs的比穿透能量对比。 e) CL-PIPD-CNTFs与商用及已报道的高性能材料的比穿透能量对比。 综上，这项研究借鉴植物细胞壁的智慧，通过仿生界面桥联策略，成功将碳纳米管纤维的强度与韧性提升至前所未有的水平，并展现出卓越的抗冲击潜力。这为开发用于先进装甲、防护织物及抗爆结构的新一代高性能纤维材料提供了强有力的设计原则和可行路径。当然，目前该纤维的制备过程仍依赖于氯磺酸等溶剂，且步骤较为耗时。未来的研究将致力于开发更环保的溶剂体系和简化工艺流程，以推动其规模化生产与实际应用。
