本报讯  中国科大工程科学学院吴恒安教授团队联合合肥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。相关研究成果于6月17日发表于Cell出版社材料学旗舰期刊《物质》上。

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。

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。

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。

（工程科学学院 合肥微尺度物质科学国家研究中心 科研部）