塑料污染与能源短缺是当今世界面临的两大难题。传统石油基塑料年产量已超3.9亿吨，但回收率仅15%，对生态环境构成严重威胁。相比之下，纤维素作为地球上最丰富的可再生生物聚合物，年产量高达7500亿吨，被视为石油基塑料的理想替代品。然而，传统纤维素塑料因富含羟基、形成致密氢键网络而具有高结晶度和难加工性，难以兼具优异的力学性能和变形加工能力，限制了其应用范围。尽管近年通过引入增塑剂或功能改性剂，在一定程度上提升了力学性能（通常低于120 MPa）和形状可编程性，但往往伴随高能耗或依赖基于曲率的重塑过程。更关键的是，现有纤维素水塑化塑料大多仅将水视为增塑剂，忽视了水在分子层面诱导网络重构的潜力。
为解决上述挑战，浙江理工大学余厚咏教授团队受拉链开合机理启发，提出了一种分子极性调控策略。该研究利用硫辛酸（TA）构建极性梯度网络，在水的诱导下实现分子网络的重构与再交联，成功制备出兼具超高强度（203 MPa）、可逆粘附（37 MPa）和快速可编程性（5分钟）的透明纤维素水塑化塑料（CCMA），为开发高性能、可持续的塑料替代品开辟了新路径。相关论文以“Zipper-inspired molecular polarity strategy enabling robust adhesive hydroplastics as sustainable plastic substitutes”为题，发表在Nature Communications上。
研究团队通过热诱导硫辛酸开环聚合，将其接枝到肉桂酰化纤维素（CCM）骨架上，再经溶液浇铸法制备出高透明度的CCMA水塑化塑料。扫描电镜显示其具有光滑致密的层状截面，能谱与光谱分析证实硫辛酸已共价整合入网络中。分子层面，硫辛酸的引入构建了包含纤维素羟基、硫辛酸羧基及水分子的极性梯度网络。在偶极-偶极相互作用下，水分子优先与高极性区域（如羧基）相互作用，在“水合-脱水”循环中驱动网络变化，实现类似拉链开合的调控机制：水分子打开并软化分子网络起到增塑作用，同时在极性失衡环境下驱动分子网络重排，转变为高度有序的稳定状态，从而赋予材料高强度、强粘附及形状可编程性。
图 1. CCMA 水塑化塑料中极性驱动的增塑与增强效应的设计策略。 a-b CCMA 水塑化塑料的合成路线与加工步骤。 c CCMA 水塑化塑料的透明性。 d CCMA-2 的扫描电镜横截面图。 e-f CCMA 水塑化塑料的分子网络构建。 g 偶极-偶极相互作用示意图。 h 受拉链启发的极性梯度调控分子链自组装机理示意图。 i 水分子对 CCMA 水塑化塑料整体性能的增强效应。 j 本工作与其他水塑化塑料的整体性能对比。
为解析水分子对分子网络的增塑过程，研究团队开展了一系列表征。分子偶极矩计算表明，纤维素、CCM、硫辛酸和水分子形成极性梯度（分别为5.2 D、3.9 D、3.6 D和2.0 D）。表面zeta电位测试显示CCMA呈负电性，证实硫辛酸羧基易与水环境作用。动态水接触角与径向分布函数分析表明，羧基氧原子与水分子形成更强、更频繁的氢键。独立梯度模型与结合能计算进一步确认，水分子与羧基形成的氢键显著强于与羟基的氢键，且羧基-水结合能高于羧基-羧基结合能，这意味着水分子可以超越网络内氢键，实现分子网络重构。分子轨道分析显示，硫辛酸的LUMO能级（-1.9 eV）显著低于纤维素（-1.0 eV），与水的HOMO能隙更小（4.8 eV vs 5.7 eV），证实水分子优先水合硫辛酸羧基。二维相关光谱揭示了脱水过程中氢键的演化序列：链间氢键→自由羟基→链内氢键→羧基与水的氢键→自由羧基→羧基二聚氢键，完美印证了极性梯度机制。
图 2. 极性失衡环境下 CCMA 水塑化塑料中极性梯度驱动的增塑与动态氢键演化。 a TA、CCM、纤维素、水、甲醇和乙酸的偶极矩。 b CCM 和 CCMA-2 的表面 zeta 电位。 c CCM 和 CCMA-3 的动态水接触角。 d CCMA/水体系的径向分布函数。 e TA 中羧基与水分子间氢键的 IGMH 可视化图。 f 结合能。 g HOMO-LUMO 能级图。 h 不同状态 C=O 相关谱带的积分面积比。 i 干燥过程中瞬态红外光谱的二维相关红外光谱，暖色（红色）代表正强度，冷色（蓝色）代表负强度。 j 水合-脱水循环下的氢键竞争与动态演化。
进一步研究揭示了水诱导下的分子网络重排与二硫键交联机制。脱水过程中，水蒸发产生的弹性毛细管力拉动分子链紧密接触，造成约6.7%的收缩，而二硫键网络有效抑制了过度收缩。拉曼光谱显示，随着脱水进行，二硫键信号强度在脱水后期（>150秒）显著增强，归因于疏水性硫辛酸链段在脱水过程中的局部富集。差示扫描量热分析表明，自由水先于结合水被消耗，自由水的蒸发产生毛细管力，拉动分子链重排形成致密网络。异谱二维相关光谱显示，氢键网络重组先于二硫键形成，物理塌缩诱导硫辛酸链段聚集，进而引发二硫键交联。广角X射线衍射显示，脱水后CCMA的主衍射峰向低角度移动，层间距由4.41 Å增至4.50 Å，证实二硫键有效撑开了分子链间空间，且循环10次后仍保持稳定。
图 3. 极性失衡环境下的分子网络重排与网络致密化。 a CCMA水塑化塑料在水合-脱水循环下的收缩变化；CCMA-2 在湿态和干态下的蠕变测试。 b 毛细管力引起的物理塌缩示意图。 c CCMA-3 水塑化塑料在脱水过程中由红外光谱计算得到的扰动相关移动窗口二维相关光谱。 d 储能模量曲线。 e 结合能。 f CCMA-3 水塑化塑料在脱水过程中由拉曼光谱计算得到的扰动相关移动窗口二维相关光谱。 g 不同脱水时间下的差示扫描量热曲线。 h CCMA 水塑化塑料异谱二维相关光谱的同步谱与异步谱。 i CCMA 水塑化塑料异谱二维相关光谱的同步谱与异步谱。 j CCMA 在 0 次和 5 次水合-脱水循环下的一维广角 X 射线衍射图。 k 机理图。c、f、h、i 中暖色（红色）代表正强度，冷色（蓝色）代表负强度。
在力学性能与形状编程方面，CCMA水塑化塑料展现出优异表现。硫辛酸的引入扩大了纤维素网络结晶区，提升了交联密度与氢键比例，使CCMA拉伸强度达177 MPa，比原始纤维素提高52%。更为独特的是，经10次“水合-脱水”循环后，其强度可进一步提升至203 MPa，超过聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯等传统塑料，且循环40次后仍保持力学稳定性。CCMA水塑化塑料还具有卓越的水致形状可编程性：水分子可增塑网络进行编程，脱水后5分钟内即可固定形状，且可在水合状态下编程为复杂三维形状。即使在80%和90%相对湿度下，CCMA仍保持87.4 MPa和78.8 MPa的高强度。横向力学性能与纵向基本一致，源于脱水过程中的各向同性网络致密化。二维广角X射线衍射与赫曼取向因子分析表明，反复“水合-脱水”循环诱导分子链自组装形成高度取向区域，结晶度显著提升，揭示了力学增强机制源于毛细管力诱导的网络致密化、极性驱动的链段聚集与二硫键再交联。
图 4. 水诱导的力学增强与形状编程。 a CCM 和 CCMA水塑化塑料在 L 方向的拉伸强度。 b CCM 和 CCMA 水塑化塑料在水合-脱水循环下在 L 方向的力学性能。 c CCMA水塑化塑料与其他水力塑料的力学性能对比。 d CCMA水塑化塑料的水致变形与形状恢复。 e 湿态强度。 f CCMA-2 在水中长时间浸泡（14 天）后的力学性能曲线。 g CCM 和 CCMA 水塑化塑料在水合-脱水循环下在 R 方向的力学性能。 h CCMA 在 0 次和 5 次水合-脱水循环下的二维广角 X 射线衍射图；图中显示了在 Φ 角度（0°-360°）的方位角扫描。 i CCMA 在 0 次和 5 次水合-脱水循环下的赫曼取向因子。 j CCM 和 CCMA 在脱水状态下的结晶度。 k CCMA-2 在脱水过程中厚度和体积密度的变化。 l 机理图。
除形状加工与力学增强外，CCMA水塑化塑料在“水合-脱水”循环中展现出强粘附性能。硫辛酸接枝成功赋予了CCMA优异的粘附特性，两片水塑化塑料仅需在界面加水即可快速可逆粘合，CCMA-3粘附强度高达37 MPa，可提起1公斤重物。控制实验表明，不含羧基和二硫键的1-己硫醇改性薄膜无此粘附增强效应，且水分子必须达到约30.4%的体积分数（对应70%相对湿度）才能激活粘附。在不同极性及pH值溶剂中测试表明，极端pH条件下（pH 3/13），即使内部氢键被破坏，CCMA仍能保持16–32 MPa的粘附强度，证明二硫键交联可确保粘附稳定性；而非极性溶剂中粘附可忽略，证实羧基水合是粘附启动的关键。能谱分析显示，硫元素在粘接界面富集，进一步证实二硫键交联在粘附中的核心作用。
图 5. 水诱导的可逆粘附性能。 a CCMA-2 的热重-红外光谱图。 b CCMA-2 的 C1s 区域 X 射线光电子能谱。 c CCMA-2 的 S2p 区域 X 射线光电子能谱信号。 d 两片 CCMA 水塑化塑料之间水诱导粘附的演示。 e CCMA 水塑化塑料粘合后的提重演示。 f 不同 TA 含量下 CCMA 水塑化塑料的粘附强度。 g CCMA-3 粘附强度对相对湿度的依赖性。 h 溶剂极性对 CCMA-3 粘附强度的影响。 i 水诱导粘附性能的稳定性。 j 两片粘合在一起的 CCMA 水力塑料图像及硫元素分布。 k 粘附机理示意图。
CCMA水塑化塑料还展现出优异的加工性能与可降解性。通过溶液浇铸法可规模化制备大面积均匀透明薄膜，用作环保包装材料时，仅需水即可实现薄膜间的牢固粘合与封口，无需外加粘合剂或热源，且粘接过程不产生微塑料。材料还具有优异的修复能力，仅需少量水即可在室温无外压条件下有效修复破损界面。在软体机器人领域，CCMA的水响应特性可实现局部溶胀与压力效应驱动的临时驱动，快速水蒸发（5分钟）通过二硫键与氢键重排稳定运动，实现柔性与刚性的平衡。研究还展示了通过模具浇铸制备的加厚CCMA水力塑料（1毫米），可水致成型为承重挂钩与防窒息螺旋手柄等实用制品。与聚丙烯、聚乙烯等工程塑料相比，CCMA水力塑料具有优异的土壤生物降解性。
图 6. CCMA 水塑化塑料的加工性能与可降解性展示。 a CCMA 水塑化塑料的大面积制备。 b CCMA 水塑化塑料的水诱导粘附与包装应用。 c 通过水对工程塑料进行界面修复演示。 d-g 水蒸气下的软体机器人模拟。 h 由加厚 CCMA 水力塑料制成的可水塑形商用产品原型图像，包括文具架和手提袋。 i 使用 I 型字母模具制备的 CCMA 水塑化塑料。 j 加厚 CCMA 水塑化塑料通过水塑形为挂钩和防窒息螺旋手柄。 k CCMA 与 PE/PP 塑料的土壤降解照片。
本研究提出的“拉链”启发极性梯度策略，通过调控分子尺度极性，成功将水从单纯的增塑剂转变为网络重构的增强剂，实现了纤维素水塑化塑料在力学性能、可逆粘附与形状编程等多方面的突破。该工作深化了对纤维素-水相互作用分子机制的理解，为构筑高性能、多功能纤维素水力塑料提供了新思路，向减少对不可降解石油基塑料依赖的目标迈出了坚实一步。