随着环境保护和可持续发展理念的普及，传统石油基塑料和合成聚合物因难以降解而引发的环境压力日益严峻，市场对绿色环保材料的需求也不断增长。在众多天然材料中，细菌纤维素（Bacterial Cellulose，简称BC）因其纯净度高、机械性能卓越、生物相容性好及降解性优良等特性，逐渐成为替代传统塑料和合成高分子的理想选择。细菌纤维素由某些需氧细菌通过β-1,4葡萄糖链聚合形成纳米级别的纤维网络，呈现出三维高度多孔结构。其纳米尺寸的纤维不仅赋予了高强度和弹性，还带来了良好的透气性和保水性能，广泛应用于生物医用敷料、食品包装及柔性电子等领域。然而，细菌纤维素当前的机械性能尚未达到其理论极限，关键因素源于其纳米纤维在宏观尺度上的无序排列和质量缺陷。准确掌控纳米纤维的排列方向成为提升BC机械强度和多功能性的核心挑战。
传统的静态培养方法产生的BC网络呈无规则错综复杂的结构，纳米纤维的随机定向限制了其力学性能的发挥。近年来，研究者们尝试利用模板限制、电磁场辅助培养或后期机械拉伸等方法实现纳米纤维的定向排列，但这些手段往往需要额外复杂设备，且易造成纤维结构损伤，难以实现规模化生产和功能多样化。鉴于此，流体诱导的旋转培养技术应运而生，成为了一种简单、可扩展且高效的纳米纤维定向组装新策略。该方法利用定制的旋转培养装置，借助流体剪切力促使细菌在供养液中沿特定方向移动，使得其合成的纳米纤维能在宏观尺度呈现良好的对齐结构。伴随着轴向旋转，培养液中的细菌受到稳定的剪切应力作用，不仅驱动了细胞定向，还促进了纤维素微纤维的层状沉积和严密排列。在这过程中，形成的三维纤维网络在水合状态下依靠氢键牢固锁定纳米纤维的排列姿态，保护结构不因外界应力而无序松散。
经反复优化旋转速率，已确定最优转速为60转每分钟，在此条件下，培养的BC薄膜展现出极佳的力学性能。实验数据显示，旋转培养制备的BC薄膜的终极拉伸强度约达436兆帕，远超静态培养的传统样品，同时具备柔韧性、可折叠性和光学透明性，兼具机械稳定性和长期使用耐久性。纳米纤维的高度有序排列不仅提升了材料的弹性模量，还改善了其断裂韧性，使之表现出兼具强度与韧性的罕见优势。该技术不依赖复杂后处理，可作为单步成型工艺，大幅降低了生产成本和工艺难度，极具产业化潜力。除机械性能的提升外，利用旋转培养的动态环境，还可实现二维纳米材料的实时夹层和均匀分散。研究中以六方氮化硼（hBN）纳米片作为示例，诱导其在BC网络内部实现分布均匀的插层结构，形成1D纳米纤维与2D纳米片的复合骨架。
hBN纳米片具备高达0.8太帕的杨氏模量和数百瓦每米开尔文的热导率，将其并入BC系统后，复合膜的机械强度进一步提升至553兆帕，并获得三倍于纯BC的热散能力。纳米片沿膜面平行排列，X射线衍射显示其晶面间距略微减小，指示剪切力促进了纳米片的高致密堆叠和定向组装。该复合性能优越的BC-hBN薄膜同时兼具透明度与柔韧性，适合用于热管理、绿色电子器件及结构增强材料。微观分析表明，动态流体环境有效避免了纳米添加剂的团聚，保证了稳定的分散性和层间力学耦合。相较于传统静态培养，流体剪切带来的优势显著体现在提高纳米纤维的取向度、减小网络孔隙率以及增强氢键和范德华力相互作用，从而赋予材料更致密的微观结构和更优异的宏观性能。该制备平台不仅突破了BC力学性能的瓶颈，更为融合多种纳米功能组分提供了可能，有望轻松实现对光、电、热等多重性能的协同调控。
展望未来，基于流体诱导的对齐BC纳米结构，可以实现智能响应、高性能复合和多功能集成，为绿色电子、柔性传感器、人造组织支架以及能源存储设备提供新材料解决方案。此外，该方法的低能耗、高产量与环境友好特性，符合循环经济和可持续发展的产业需求，具备广泛推进和应用的前景。总结而言，流体诱导的旋转培养为制备对齐细菌纤维素薄膜提供了创新的方向，通过合理设计培养环境中的剪切流场，有效驱动纳米纤维的定向组装，显著提升了材料的机械强度和韧性。联合二维纳米材料协同嵌入，实现了多功能材料的一体化直接合成。该技术不仅简化了制备工艺，提高了生产效率，还拓宽了细菌纤维素在高端材料领域的应用空间，满足未来绿色、高性能材料的市场需求。研究成果为纳米纤维素材料的尺度桥接和功能集成开辟了新路径，推动了生物基高性能材料向产业化的转化和推广。
随着对多尺度结构演化机理与界面调控的深入理解，未来的流体引导纳米复合材料将在航空航天、可穿戴设备、环境净化等领域绽放更大光彩，助力人类实现低碳、智能和绿色制造的目标。
