缅因大学与美国能源部（DOE）橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员正在联合开发一种用于干燥纤维素纳米纤维的新方法，旨在在脱水过程中减少纤维聚集，并提升能效与规模化可行性。纤维素纳米纤维被认为可用于替代多种产品中的塑料。

该团队提出的工艺利用加热压缩空气在喷嘴结构中形成双反向旋转涡流，通过高剪切作用将湿纤维素浆液中的纳米纤维快速干燥。研究人员称，这种通过“迷你龙卷风”式涡流实现干燥的方式，相比冷冻干燥与喷雾干燥更节能、高效，且更易放大到更高产能。

纤维素广泛存在于植物中，由葡萄糖分子连接形成，是纸张、服装与食品等产品的重要原料。研究人员指出，科学界近年来开始更多关注纤维素在纳米尺度下的特性及其潜在用途。橡树岭国家实验室制造科学部研究员Peter Wang将纤维素纳米纤维比作“树枝不断分叉直至末端成为纳米级绒毛”的结构，并表示这些微小纤维在相互抓附后会形成不可逆结合，无需胶水或其他化学品即可固定在一起。

在制备环节，纤维素纳米纤维通常通过将木浆与水混合后长时间研磨获得，形成含水量高达97%的凝胶状浆液，其中纤维素纳米纤维约占3%。Wang表示，浆液可直接使用，但高含水量意味着运输成本较高；若能将其脱水为粉末，不仅可降低运输成本，也可在使用端按需重新水化。

不过，干燥过程的关键难点在于避免纤维在脱水时聚集或紧密粘连，这类粘连往往需要重新浆化处理才能打散。冷冻干燥能够较好保持分散状态，但更适合小批量生产，难以实现大规模商业化；喷雾干燥具备规模化潜力，但研究人员指出其更容易产生聚集纤维，影响产品质量。

缅因大学化学与生物医学工程教授David J. Neivandt在2018年提出假设，认为在高剪切条件下干燥纤维素纳米纤维浆液可限制纤维聚集，并有望实现更节能的规模化生产。此后，Neivandt及其研究生团队在缅因工程与计算学院开发了一套已申请专利的工艺，利用特定喷嘴与由加热压缩空气产生的反向旋转涡流提供剪切力，以实现快速干燥。团队表示，该方法相较传统冷冻干燥与喷雾干燥可显著降低能耗，并提高干燥纤维素纳米纤维的产量与质量。

在实验室规模原型验证后，Neivandt与橡树岭国家实验室制造示范设施展开合作，评估该技术的放大潜力。Wang及其团队对双反向旋转空气涡流的流体动力学进行分析，以更好理解干燥机理。橡树岭国家实验室计算科学与工程部研究员Kevin Doetsch在建模中发现，空气以3马赫速度进入涡流发生器，即约为声速的三倍；模型显示，高速气流对浆液液滴施加剪切力，能够将其“撕裂”并促进干燥。

Doetsch表示，在小型且结构复杂的系统内模拟这类快速旋转涡流难度较高、耗时较长，但借助高性能计算集群，团队完成了对气流的模拟，从而观察并验证纳米材料的干燥机理。

根据研究团队的计划，下一步将设计能够在更大浆液流量下实现同等液滴剪切效应的装置，目标是将产量提升至比现有实验室系统高出数百倍，实现从克级到千克级粉末的日产能力。Neivandt表示，与橡树岭团队的合作有助于推动学术研究更快向工业应用转化。