汉麻（工业大麻）长久以来主要被视为纺织纤维和油籽来源。然而，在现代材料科学视角下，汉麻植株的各个组成部分——韧皮纤维、木质化的麻秆、籽壳，乃至提取活性成分后的残渣——都蕴含着独特的结构单元和化学组分，是创制新一代绿色、高性能、多功能材料的理想前驱体。通过物理、化学及生物等跨学科手段对这些生物质资源进行精妙的结构设计与功能化改造，汉麻正从一种传统农产品，蜕变为一个充满无限可能的先进功能材料平台。这场材料创制革命，旨在将汉麻的价值从产业链的底端提升至高端，开辟其在能源、环境、电子、生物医学等前沿领域的全新应用。
汉麻韧皮纤维富含高结晶度的纤维素，这是自然界中储量最丰富的纳米材料之一。通过化学或机械方法将纤维素微纤剥离至纳米尺度，可以得到两类明星材料：纤维素纳米晶和纤维素纳米纤丝。
CNC的制备与功能化通常采用强酸水解法。在严格控制温度、酸浓度和时间下，酸选择性侵蚀纤维素微纤中的无定形区，剩下高度结晶、刚性棒状的CNC，其直径约3-20纳米，长度100-500纳米，具有极高的比强度（约为钢的8倍）和独特的液晶行为。汉麻CNC的表面富含羟基，为其功能化提供了锚点。通过酯化、醚化或硅烷化反应，可以在CNC表面接枝疏水链段、荧光基团或导电聚合物。例如，接枝碳量子点的CNC成为荧光纳米探针；接枝聚苯胺的CNC则表现出导电性。2024年，研究者利用汉麻CNC为模板，通过仿生矿化在其表面均匀沉积羟基磷灰石，制备出兼具优异力学性能和生物活性的纳米复合材料，在骨组织工程中展现出潜力。
CNF的制备则更倾向于采用温和的机械处理（如高压均质、微射流）结合低度的化学预处理（如TEMPO氧化），得到直径更细（3-100纳米）、长度可达微米级、富含纠缠网络的长丝状纳米纤维。汉麻CNF的水分散体能形成高粘度的凝胶，干燥后可制成纳米纸或气凝胶。汉麻CNF纳米纸的透光率可达90%以上，而热膨胀系数极低，是柔性电子器件理想的透明基底材料。通过真空冷冻干燥CNF分散体，则可获得超轻、高孔隙率的CNF气凝胶，其密度可低至每立方厘米数毫克，是优异的隔热、吸音或油水分离材料。
汉麻麻秆（麻糠）具有天然的微管状结构和丰富的碳含量，是制备高性能多级孔碳材料的理想前驱体，过程绿色且附加值高。
活化多孔碳的精准制备是关键。通过水热碳化结合KOH/ZnCl₂化学活化，可以将麻秆转化为具有超高比表面积（常超过3000 m²/g）和丰富微孔-介孔结构的活性炭。工艺的核心在于精确调控活化剂的种类、比例、温度和时间，以平衡比表面积、孔容和孔径分布。2024年，研究团队开发了微波辅助快速活化工艺，将传统数小时的活化过程缩短至分钟级，并成功制备出对二氧化碳具有超高吸附容量的汉麻基活性炭，在碳捕获领域应用前景广阔。
更进一步，通过引入模板法（如使用纳米SiO₂或MgO为模板），可以在碳骨架中复制出规则排列的介孔甚至大孔，形成明确的多级孔道系统。这种材料在电化学领域大放异彩。作为超级电容器电极材料，其微孔提供巨大的电荷存储面积，介孔和大孔则作为离子高速传输的“高速公路”，从而同时实现高能量密度和高功率密度。2024年报道的一种汉麻基分级多孔碳，在有机电解液中表现出优异的比电容和循环稳定性。
作为锂硫电池正极宿主材料，汉麻基多孔碳的导电网络和丰富的孔隙能有效束缚多硫化物，抑制“穿梭效应”，极大提升电池的循环寿命和容量。通过掺杂氮、磷等杂原子（可在活化前驱体阶段引入含氮/磷化合物实现），还能进一步调节碳材料的表面化学和电子结构，增强其催化性能，用于氧还原反应等电催化过程，替代昂贵的铂基催化剂。
尽管汉麻纤维作为复合材料增强体已广为人知，但前沿研究正从宏观复合深入到纳米尺度的界面工程，以最大限度发挥其增强潜力。
纤维表面的仿生矿化是一种新颖策略。受贝壳珍珠层“砖-泥”结构的启发，在汉麻纤维表面诱导生长纳米级的无机物（如碳酸钙、二氧化硅）。这一薄层矿物不仅能改善纤维与疏水聚合物基体（如聚丙烯、聚乳酸）的界面相容性，还能显著提高纤维本身的刚度、硬度及耐热性。矿化后的汉麻纤维增强聚乳酸复合材料，其弯曲强度和模量可提升50%以上。
构建共价界面层是更根本的解决方案。除了传统的硅烷偶联剂，点击化学被引入界面设计。首先在纤维表面通过等离子体处理引入叠氮基团，然后在聚合物基体（或相容剂）分子链上修饰炔基。在复合加工的热条件下，叠氮和炔基发生高效的Huisgen环加成反应，在纤维与基体间形成牢固的共价键连接。这种“点击”界面比单纯的物理吸附或氢键作用强得多，能实现应力从基体到纤维的高效传递。2024年，采用该策略的汉麻/环氧复合材料，其层间剪切强度达到了传统方法制备复合材料的1.8倍。
对于全生物基可降解复合材料（如汉麻纤维/聚乳酸），界面研究的重点是促进两者在堆肥环境下的协同降解。通过在纤维表面接枝与PLA具有相似水解速率的功能层，可以确保复合材料在使用期内性能稳定，而在废弃后实现整体快速、完全的生物降解，避免微塑料问题。
汉麻的组分不仅是填充物或增强体，更能作为单体或大分子引发剂，参与合成全新的功能高分子。
汉麻籽油基聚合物是典型代表。汉麻籽油富含不饱和脂肪酸，其双键可通过环氧化、丙烯酸化等反应转化为活性基团。环氧汉麻油可作为可再生、无毒的增塑剂或环氧树脂稀释剂；丙烯酸酯化汉麻油则可作为生物基紫外光固化树脂的主要成分，用于3D打印或涂料，其固化膜具有优异的柔韧性和耐冲击性。更进一步，通过开环易位聚合等现代聚合技术，可将汉麻油衍生物合成为具有精确结构的热塑性弹性体或水凝胶。
纤维素衍生物的功能化打开了另一扇门。将汉麻CNC或纤维素溶解后，通过化学改性可制备温敏性纤维素水凝胶（如接枝聚N-异丙基丙烯酰胺），其在临界温度附近会发生可逆的溶胀-收缩，可用于药物控制释放或智能分离膜。将具有导电性的聚吡咯或聚苯胺原位聚合在CNF网络内部，则可制成全生物基的柔性导电纸或织物，用于可穿戴应变传感器，能够灵敏地监测人体关节运动或呼吸。
汉麻自身的精细分级结构，本身就是大自然鬼斧神工的杰作，可作为制造特殊结构材料的生物模板。
例如，汉麻秆的天然维管束结构，经过碳化并去除无机灰分后，能得到保留原植物导管形态的微管状碳材料。这种材料具有一维传质通道和丰富的表面，是负载催化剂的理想载体，可用于连续流微反应器。汉麻纤维表面的微米级沟壑结构，可以被复制到聚合物表面，赋予材料超疏水、结构生色或减阻等功能。
一个可持续材料新时代的曙光
汉麻基先进功能材料的创制，是一场深刻的范式转移：它不再将汉麻视为低价值的 bulk material，而是将其解构为一系列具有特定形貌、结构和化学性质的纳米/微米建筑模块，并通过先进的合成与组装技术，将这些绿色模块重构成面向未来的高性能材料。从能源存储到环境修复，从电子器件到生物医用，汉麻正以其独特的可持续性和功能可设计性，渗入现代材料科技的各个角落。这场革命不仅极大拓展了汉麻产业的价值边界，也为解决资源、环境、能源等全球性挑战，提供了一条源于自然、归于循环的绿色材料解决方案路径。汉麻，这株古老的作物，正在材料实验室中焕发新生，成为引领可持续未来的关键材料之一。
