将自然界中广泛存在的纤维素生物质资源转化为生物燃料和生物基化学品以补充替代不可再生的化石资源，成为缓解能源枯竭和碳排放问题的关键需求。运用化学手段将纳米纤维素水解成糖是实现其降解利用的常用方法，然而纤维素分子链中强烈氢键作用形成的低化学响应结构严重制约了水解效率和产物稳定性。因此，如何在温和的反应条件下实现纳米纤维素的高效降解是生物质可持续利用领域的重要挑战。
中国科学技术大学工程科学学院吴恒安教授团队联合微尺度物质科学国家研究中心俞书宏院士团队，在弯折缺陷促进纳米纤维素高效降解的力化学研究中取得重要进展。研究团队从多尺度定量化建模和实验表征出发，系统阐明了机械处理诱导纳米纤维素形成不同典型弯折缺陷的微观力学机制，揭示了微结构弯折变形促进水解活化的力化学机理，结合原位水解实验验证，提出了利用人工弯折缺陷大幅提升纳米纤维素水解效率的新方法。相关研究以“Artificial kink defects enable high-efficiency degradation of nanocellulose via mechanochemical activation”为题于6月17日发表于Cell出版社材料学旗舰期刊《物质》（Matter）。
图1 弯折缺陷促进纳米纤维素高效降解的机理示意图
研究团队首先通过原子力显微镜的定量表征发现了经过机械处理后纳米纤维素在广泛存在的弯折缺陷处呈现典型的三维形貌突变，并基于大规模分子动力学模拟阐明了弯折缺陷的微观力学机理，外载作用下纳米纤维素为耗散积累的能量和应力发生局部的三维塑性变形并伴随微结构畸变和氢键断裂；进一步，结合第一性原理计算和原位水解实验揭示了弯折缺陷的力化学机理，弯折缺陷处分子链的非线性几何构型驱动水解反应向具有较低自由能垒的理想反应路径发展以促进在弯折缺陷处的优先水解。
图2 弯折缺陷的形貌表征和微观力学机制
在对弯折缺陷微观机制的全面阐释和力化学行为的理论预测基础上，研究团队提出了引入简单机械预处理的水解“两步”法，通过诱导更多的人工弯折缺陷实现了初期水解速率的显著提升。该研究揭示了机械诱导纳米纤维素塑性变形和微结构缺陷对其水解反应效率的力化学调控机理，为生物圈中广泛应用机械处理降解纤维素生物质提供了关键科学依据和新的理论见解，推动了力化学方法在生物质可持续利用领域的应用前景。
图3 弯折缺陷促进水解活化的力化学机理和实验验证
近代力学系侯远震博士和化学系韩子盟博士为论文共同第一作者，吴恒安教授、俞书宏院士和朱银波副教授为论文共同通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金基础科学中心、中国科学院青年创新促进会和国家资助博士后研究人员计划等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102212
（工程科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）