原文见https://www.nature.com/articles/s41598-021-89435-6 ，在原作者同意下翻译成中文，翻译不妥之处，可留言赐教。

摘要：基于对饱和⽔蒸⽓热处理2,2,6,6-四甲基哌啶（TEMPO）氧化的纤维素纳⽶纤维（CNF）变化的观察结果，我们提出了⼀种指接模型来描述纤维素微纤维的超微结构。微⽶⻓的TEMPO-CNF用饱和⽔蒸⽓（≥120°C，≥0.2 MPa）热处理后，会令人惊讶地解离成数百纳米长的短纤维。用X射线衍射（XRD）表征，发现热处理过的TEMPO-CNF的XRD图谱与Iβ型纤维素⼀致。利用⾼分辨率透射电⼦显微镜（HR-TEM），观察到热处理后的TEMPO-CNF结构中连接部的超微结构。因此，我们推断纤维素微纤维虽长，但结构不是⽆缝的，⽽是短纤维嵌段结构的串接。短嵌段的多糖链以Iβ型组合。而连接区域可以是Iα型或无定型的，这取决于相邻连接的链之间的位置和距离。加热后，Iα不会转化为Iβ，⽽只是被破坏。指接结构的存在，意味着生物合成纤维素的过程存有“⼯作休息节奏”。

植物纤维素是地球上最丰富的⽣物质，是⼤⽓中的⼆氧化碳通过光合作⽤转换而成。因此，充分利⽤植物纤维素是实现脱碳⽬标的关键。天然植物纤维素以纤维的形式出现，⻓度约为1- 3mm，宽度约为30μm。当这类纤维被分解至纳米级时，其物理化学性能和机械性能将发生显著变化。2,2,6,6-四甲基哌啶-1-1氧基（TEMPO）⽤作区域选择性催化剂，将C6伯羟基氧化为C6羧酸盐是⼀种标准⽅法¹，不包括其他办法^2,3,4,5，可⽤于将纤维素分解为纳⽶级纤维。通过TEMPO氧化得到的纳米纤维（即TEMPO-CNF）保有原本的纤维形状，宽度⼤约为3 nm，⻓度为⼏微⽶⁶。完全由TEMPO-CNF制成的薄膜具有很⾼的透明度，有着出色的抗拉强度（200–300 MPa）⁶，弹性模量（6-7 GPa）和热膨胀系数（2.7 ppm K^-1）⁷。TEMPO-CNF最近已⼯业化⽣产^8,9并试图取代传统橡胶⼯业中的炭⿊，是TEMPO-CNF的⼤规模利⽤之⼀¹⁰。TEMPO-CNF要成为橡胶添加剂，或是某些功能材料的组成部分，需要漫⻓的磨炼。但是，在更苛刻的利用条件下， TEMPO-CNF稳定性的实验数据，尤其是⾼温和/或⾼压条件下的数据，严重缺乏。这主要是由于TEMPO-CNFs超微结构的复杂性。TEMPO-CNF可由多种天然纤维素制成，例如，从⽊浆，棉花和⻦胶蛋⽩，到细菌纤维素¹，但对市售TEMPO-CNF的情况下，其前驱体主要是来自高等植物。植物纤维素超微结构研究超过一个多世纪，获得一系列⾥程碑式进展。以下列举一些：

（i）       天然纤维素是由两种不同的结晶形式组成的复合物：Iɑ形式和Iβ形式¹¹

（ii）        Iβ是两链聚合成的单斜晶胞，⽽Iɑ是单链聚合成的三斜晶胞，Iɑ和Iβ中的多糖链以平⾏链聚合^12，13 

（ⅲ）Iɑ是亚稳态，在饱和蒸汽> 200℃下通过退⽕能转换成Iβ

（iv）此外，单根微纤维由24-36条链组成，轴向无序取决于微纤维的加捻^15，16

但是，关于Iɑ和Iβ之间的关系仍然存在重⼤问题，包括晶体区域和⾮晶区域之间连接以及两种晶体形式之间的连接。我们在饱和⽔蒸⽓下（温度≥120°C，压力≥0.2 MPa）加热微米长度的TEMPO-CNFs，观察到⼀个令⼈惊讶的事实，即⻓TEMPO-CNF解离为短⻓度的纳⽶纤维（长百纳⽶，宽度1.5-3.0 nm）。XRD图谱与Iβ型纤维素⼀致，表明TEMPO-CNF的超微结构发⽣了变化。使⽤⾼分辨率透射电⼦显微镜（HR-TEM），我们还观察到了连接的超微结构。我们在本⽂中提出⼀个指状连接模型（指接模型），以Iα和Iβ之间关系的视角，描述出纤维素微纤维可能具有的超微结构。我们的指接模型，也适⽤于解释⾮晶区域起源。

结果和讨论

将含有0.2 wt％所⽣产的TEMPO-CNF的⽔悬浮液在150°C的饱和⽔蒸⽓下加热4⼩时。冷却⾄室温后，使⽤原⼦⼒显微镜（AFM）观察到该悬浮液，图 1个a显示了典型的AFM图像。从图1可以看出 ⼀个微⽶⻓的TEMPO-CNF解离成较短⻓度的纳⽶纤维。随机选择30根短纳⽶纤维，统计它们的

⻓度和宽度。短纳⽶纤维的⻓度为200–600 nm，宽度为1.5-3.0 nm。TEMPO-CNF部分或全部变为短纳⽶纤维取决于饱和⽔蒸⽓温度和样品加热时间。图1b显示了同⼀样品的典型AFM图像。如图 1将其在150℃的饱和蒸⽓中加热2⼩时，我们观察到丰富的短纳⽶纤维与⻓度⼩于600 nm的纳⽶纤维。值得注意的是，⻓纳⽶纤维弯曲且扭曲（图中⽤红⾊箭头标记， 图1b）。通过使⽤HR-TEM（⼀式两份，染⾊和不染⾊）分析加热的TEMPO-CNF。图2a，b显示了典型的图像。在图 2a中，在通过氮⽓冷却下分析加热过的TEMPO-CNF（不染⾊）。再次，我们观察到TEMPO-CNF发生弯曲和扭曲（标记为红⾊箭头）。在图2b中，利用2％⼄酸铀酰溶液对TEMPO-CNFs进⾏负染，再进⾏分析。我们在加热的TEMPO-CNF上观察到连接处的超微结构（标有红⾊圆圈）。

 饱和⽔蒸⽓温度和样品加热时间是影响TEMPO-CNF的形态关键参数。在120°C / 6 h，130°C / 4 h，140°C / 2 h和150°C / 1 h的加热条件下，处理后的TEMPO-CNF⽔性悬浮液⼏乎⽆⾊或微⻩⾊，并且⾼度透明。在150°C / 4 h，160°C / 3 h和180°C / 2 h的条件下，TEMPO-CNF⽔溶液为深棕⾊，而在150°C / 6 h，160°C / 5 h和180°C / 4 h 的加热条件下会TEMPO-CNF⽔溶液会变成⽔凝胶。冷却⾄室温的热处理TEMPO-CNF⽔性悬浮液的四张照⽚，可参见支撑材料（图S1）；我们将TEMPO-CNF⽔性悬浮液用140°C饱和⽔蒸⽓分别加热2 h，3 h，4.5 h和5 h。图S2显示在180°C饱和⽔蒸⽓加热4分钟后的0.2 wt％ TEMPO- CNF⽔性悬浮液的照⽚。该温度热处理后，TEMPO-CNF转化成⽔凝胶。

在室温（18–28°C）下，热处理悬浮液中的水将缓慢蒸发完，形成一张淡⻩⾊膜（耗时5-7天）。淡⻩⾊膜⽤含70％⼄醇⽔溶液洗涤薄膜3-5次，转移到溶液中（图S3）。通过拉曼光谱，傅⽴叶变换红外光谱法和XRD表征⽆⾊透明薄膜的物化性质。

图3是典型的拉曼光谱结果。清晰可见在1098 cm -1和1120 cm -1处产生有拉曼峰，它们分别对应β-d-吡喃葡萄糖基单元的β（1-4）糖苷键中的C–O–C（Vas）处⾮对称振动的骨架振动模式和C–O–C对称振动（Vs）的骨架振动模式^17–21。在1153 cm-1的拉曼峰，对应于吡喃葡萄糖环的呼吸振动拉伸模式（–C-C–）^{17，18,19.20,21}。1300–1500 cm -1的拉曼峰，提供有关多聚多糖链结晶度和⻓度/厚度的认知。制膜所用⽔性悬浮液含有150°C饱和⽔蒸⽓中热处理热4h的浓度为0.2wt％TEMPO-CNF。其TEMPO-CNF的拉曼光谱，如图3所示，以作⽐较。

膜样品还做了FT-IR表征。四个含0.2wt% TEMPO-CNFs 的⽔溶液分别⽤135°C，140°C，150°C和160°C的饱和⽔蒸⽓处理2 h，制成薄膜。观察到与纤维素相同的红外光谱^{22– 25}。图4显示了以下光谱：1100–900 cm -1，C–O–C拉伸；3600–3200 cm -1，OH拉伸；和COO-的识别峰在1600cm -1。值得注意的是，在160°C / 2 h的加热条件下，羧酸盐峰（1600 cm -1）的强度急剧下降，表明位于TEMPO-CNF的最外层的羧化多糖链发生解离。由于外部氢键和疏⽔相互作⽤，不带电的纤维素纳⽶纤维易形成⽔凝胶。

拉曼和FT-IR光谱均表明，短纤维素纳⽶纤维是由多糖链多聚而成。在蒸⽓压≥0.2 MPs和温度≥120°C的饱和⽔蒸⽓中，TEMPO-CNFs从较⻓的纳⽶纤维快速变为较短的纳⽶纤维。⻓度的明显变化导致了其XRD衍射结果的显著不同。TEMPO-CNF的XRD图谱与Iα和Iβ都⼀致。相反，热处理后的TEMPO-CNF的XRD图谱仅与Iβ⼀致。图5显示了相应的XRD结果。有关XRD图谱中衍射结果指代的详细信息，请参⻅支撑材料（图S4）。表1总结了选定的值，包括2theta和相关的半峰全宽（FWHM），以及d值和⽶勒指数（h，k，l）。根据Scherrer’s²⁶和Segal方法²⁷，分别计算了TEMPO-CNFs和加热后的TEMPO-CNFs的晶粒尺寸和晶体/非晶比，见表1。

 值得注意的是，对于TEMPO-CNF，热处理后的TEMPO-CNF表现出更⾼的晶体/⾮晶⽐，⽐率分别为61.1％（TEMPO-CNF），80.2％（热处理后含淡黄色物质的TEMPO-CNF）和80.4％（热处理后不含淡黄色物质的TEMPO-CNF）。结晶度的增加提⾼了亲⽔性。亲⽔性是根据对油/⽔乳液的稳定能⼒进行估算，这些油/⽔乳液是⽤TEMPO-CNF或热处理的TEMPO-CNF作为稳定剂制成的（图S5）。

从我们的实验观察中，可以合理地假设天然植物纤维素微纤维不是⽆缝的⻓纳⽶纤维，⽽是“连接结构”。我们提出了⼀个指状接合模型，如图 6所示，用以描述原⽣的可能的超微结构植物纤维素微纤维。这个新提出的模型的关键概念总结如下：

（i）       天然植物纤维素微纤维不是⽆缝的⻓结构，⽽是由许多较短的纤维素嵌段组成的结构通过简单的连接⽅式组合和连接在一起；

（ii）        指接是最可能的将短纤维素嵌段连接成更⻓的纤维素微纤维的⽅式；

（iii）         短纤维素嵌段的多糖链以Iβ型排列，但每条链的最佳位置留下不平坦的边缘，该边缘能够串联指接另⼀个短纤维素嵌段；

（iv）        接合区域可以是Iα或⾮晶形，具体取决于相连多糖链之间的位置和距离；

（v）       接头结构使纤维素微纤维可扭曲，弯折并能耐受物理疲劳；

（vi）        接合区域⽐基于Iβ的嵌段弱得多，换句话说，指接结构具有在饱和⽔蒸⽓中⼤部分或全部被破坏，但Iβ基本结构仍然存在不变

（vii）         纤维素合酶应在每个多糖链的边缘，以便新合成的多糖链可以⾃然连接

（viii）        从⽣物合成的观点来看，植物不是⼀整天都在进⾏纤维素的⽣物合成，但是植物界也可能存在

⼯作节奏和休息节奏。

 结论

植物纤维素对于实现可持续发展⽬标（SDG）⾄关重要。尽管如此，有关天然植物纤维素的超微结构及其超微结构与其宏观功能的关系很⼤程度上仍然未知。关于每个多糖链的⻓度，取向度，以及聚合多糖链相互作⽤的强度，以及纤维素微纤维超微结构。在以前的研究中，Li和Renneckar²⁸ 发现，TEMPO-CNF可以在高强度超声处理下，其尺寸降低至百纳⽶长和个位或两位数埃米厚。该工作还表明，纤维素微纤维不是⽆缝的⻓结构物质。换句话说，植物不是整天都在⼯作以合成纤维素，⽽是存在一种⼯作和休息的节奏，这导致有“连接”的⽣物产品。其他的⽣物纳⽶结构，例如DNA和蛋⽩质，可能也属于连接结构的⼀类。⼀旦嵌段之间的氢键结合作⽤被削弱和/或破坏，他们将会被解离成基本（构建）嵌段。总结来说，一定数量的短嵌段的拼接是⼀种简单⽽有效的⽅式。通过这种⽅式，巨大⽣物结构获得了特定形貌和丰富功能。

⽅法

TEMPO-CNF购⾃⽇本第⼀化学⼯业株式会社（⽇本京都）；它们是通过TEMPO氧化天然植物纤维素⽣产获得。将原样的悬浮液⽤去离⼦⽔稀释⾄0.2 wt％。在整个研究过程中，使⽤的是含有0.2 wt％ TEMPO-CNF的⽔性悬浮液。密封的热分解容器购⾃San-ai Kagaku Co.，Ltd.（⽇本名古屋），并在⽤于加热TEMPO-CNF⽔性悬浮液。热分解容器由密封的PTFE基内瓶胆和密封钢基外筒。将⼤约50毫升的含有0.2 wt％ TEMPO-CNF的⽔悬浮液混合物密封在PTFE容器，在指定温度下按照预定的时间放置于电加热炉中。待容器后冷却⾄室温，将悬浮液从容器中移出并进行其理化特性。

薄膜的制备。于聚苯⼄烯培养⽫中加⼊约15g 悬浮液，并在环境温度下静置使⽔缓慢蒸发（5–7天），获得淡⻩⾊薄膜。淡⻩⾊物质通过⽤含70％⼄醇的⽔溶液，得到透明膜。薄膜样品在恒定温度~40°C下⼲燥过夜，然后通过拉曼光谱，FT-IR和XRD进⾏表征。通过拉曼分析TEMPO-CNF和热处理过的TEMPO-CNF光谱仪^{17 – 21}和FT-IR^{22 – 25}。拉曼光谱仪是雷尼绍（inVia Raman），具有四个激发波⻓：488 nm，532 nm，633 nm和785 nm。拉曼测量主要是通过在532 nm处激发（曝光时间10 s，激光功率74 mW，6次累加）。FT-IR光谱使⽤Jasco FT-IR-460傅⽴叶变换红外光谱仪。对TEMPO-CNF和加热的TEMPO-CNF的XRD^{29 – 31}分析，使用的是Rigaku Smart Lab X射线衍射仪，参数：40 kV下⼯作的Cu-Kα辐射（λ= 1.5418Å）30 mA，扫描速度为0.5 min -1，范围（2θ）为5°–50°。将样品厚度为120μm的胶⽚样品折叠3次）。这项研究中使⽤的原⼦⼒显微镜（AFM）是Shimadzu SPM-9700HT扫描探针显微镜/原⼦⼒显微镜（⽇本京都），在分接模式下运⾏，分辨率为XY 0.2 nm，Z为0.01nm。将热处理过的0.2 wt％TEMPO-CNF悬浮液⽤80％的⼄醇或去离⼦⽔稀释至约1/1000。约1μL样品沉积在硅晶⽚（平板）上，在室温下自然蒸干。我们通过JEM-2100F分析T热处理前后的TEMPO-CNF。将0.2 wt％TEMPO-CNF悬浮液⽤80％⼄醇或去离⼦⽔稀释至约1/1000，将稀释的悬浮液沉积在含碳涂层的电⼦显微镜栅格（u1017- 5 nm）上，然后在环境温度下进⾏⼲燥分析。在此期间，样品架用氮⽓保持冷却。我们还通过JEM-2800分析了2％的⼄酸铀酰溶液负染的热处理前后的TEMPO-CNF³²。JEM-2100F和JEM-2800均是JEOL产品（JEOL，⽇本东京），工作在200 kV电压下进⾏。

图1. 热处理后TEMPO-CNF的AFM图像。用150°C饱和⽔蒸⽓加热处理含有0.2 wt％ TEMPO-CNF的悬浮液2h或4h，并⽤80％⼄醇将样品稀释至1/1000。（a）加热4h后，TEMPO-CNF解离成较短纤维。（b）加热2h后，观察到短纤维和⻓纤维。（红⾊箭头）弯曲并扭曲的⻓纤维。

图2. （a）用150°C饱和⽔蒸⽓加热2⼩时后的TEMPO-CNF的HR-TEM图像（⽆染⾊，但处于冷却状态）。我们观察到TEMPO-CNF弯曲和扭曲（红⾊箭头）。（b）在150°C饱和⽔蒸⽓加热4⼩时后的TEMPO-CNF的HR-TEM图像（⽤2.0％⼄酸双氧铀负染）。我们在热处理后的TEMPO-CNF上观察到连接的超微结构（红⾊圆圈）

图3. （a）用150°C饱和⽔蒸⽓加热4h后的TEMPO-CNF的拉曼光谱或（b）处理前的TEMPO-CNF

。激发波⻓为532 nm，曝光时间为10 s，激光功率74 mW，6次累加。3次折叠厚度15μm的薄膜，总厚度约为120μm。

图4. 厚度为15μm的TEMPO-CNF薄膜样品经不同温度饱和⽔蒸⽓热处理2⼩时后的FT-IR光谱图：（a）未处理，（b）135°C，（c）140°C，（d）150°C或（e）160°C。膜样品直接测量（不折叠）。

图5. （a）TEMPO-CNF，和用150°C饱和⽔蒸⽓加热4h后的TEMO-CNNF的XRD图：（b）样品含淡⻩⾊物质，和样品（c）不含淡⻩⾊物质。3次折叠厚度15μm的薄膜，使样品总厚度达120μm。

图6. 放大的纤维素微纤维的指接结构。（a）多糖链纤维素微纤维不是⽆缝连接聚合物，⽽是由相对较短（数十至上百纳米长度）的短链以指接⽅式连接。指接处较弱，但与紧凑（垂直） 结构相⽐具有更⼤的灵活性。在恶劣条件下，例如在饱和⽔蒸⽓中在较⾼的温度/压⼒下，纤维素微纤维从指接处解开成短嵌段边界。（b）将微纤维解离成短嵌段后，（c）位于区块的最外层多糖链与主体分离，形成一个较薄的嵌段。

表1. XRD测量的参数，热处理前后TEMPO-CNF的微晶尺⼨，以及晶体/非晶比。

*晶体尺⼨根据Scherrer⽅程（等式（1））估计。

**晶体/⾮晶⽐是基于Segal⽅法（对于Iα 是等式（2），对于Iβ是等式（3））。

在等式中 （1）中的θ，β和λ是Baragg⻆，反射全宽半幅值，以及X 射线波长；并在等式 （2）和（3）中，C_am表示晶体/⾮晶⽐，I₀₀₂和I₂₀₀分别表示002（在Iα的情况下）和200（在Iβ的情况下）的最⼤衍射强度，I是⽆定形（2θ= 18.4）的最⼤衍射强度。根据XRD数据结果，对于TEMPO-CNF、热处理后有微⻩⾊物质和无微⻩⾊物质的TEMPO-CNF的宽度，分别估计为4.19、5.52和5.85 nm。