中国科大研制新型仿生增强增韧纳米复合纤维材料

基于生物质的高性能纳米复合材料正逐步发展成为未来结构和功能应用的理想材料。从植物组织分离或细菌发酵中获得的纳米级纤维素可以说是地球上最丰富的纳米级原材料。它密度低、热稳定性好、力学性能优异，同时具有可降解性、可再生性和可持续性，因此备受关注。研究人员希望用它来开发大规模高性能的纤维素基纤维材料。然而，所制备的纤维素基大纤维材料的强度和韧性之间的矛盾尚未得到解决。高强度往往是以牺牲断裂伸长率和韧性为代价获得的，因此低韧性和脆性断裂的问题严重限制了这种材料在高级织物和其他领域的实际应用。

相反，在自然界中，许多植物纤维(如大麻纤维、棉纤维等。)和动物纤维(如毛发、丝等。)有效地避免了强度和韧性之间的矛盾，实现了高强度和高韧性的完美结合。研究表明，这些典型的生物结构材料具有一些共性:它们都是天然纳米复合材料，由包裹在较软的有机基质中的高度取向的高强度纳米纤维单元组成，并且具有高度有序的多级螺旋缠绕结构。

最近，中国科技大学于书鸿教授的研究团队借鉴天然生物纤维的策略，成功开发出一种强韧的宏观尺度纤维素基纳米复合纤维材料。相关结果在线发表在《2019年国家科学评论》上，标题为“基于生物纤维素纳米纤维的生物激励分级仪器纳米复合宏纤维”。第一作者是高怀玲，副研究员，硕士赵冉。

图1。(a)仿生大纤维材料制备流程图；(b，c)溶液纺丝得到的湿宏观纳米复合纤维单丝；(d)通过多级螺旋缠绕获得具有螺旋结构的湿宏观纳米复合纤维。

研究人员使用高强度的细菌纳米纤维素作为增强元素，海藻酸钠生物大分子作为有机基质，并将两者的复合水溶液纺丝成溶液，以获得具有初始提高的拉伸强度的单向宏观纳米复合材料(图1a-c)。纯海藻酸钠大纤维的拉伸强度为190兆帕，而纳米复合纤维的拉伸强度提高到420兆帕。随后，他们通过多级螺旋缠绕结构设计获得了具有相似生物纤维结构特征的宏观人造纤维材料(图1d，图2a-c)。拉伸强度继续增加25%，而断裂伸长率和韧性同时分别增加近50%和100%。最终拉伸强度、断裂伸长率和韧性可分别达到535 MPa、16%和45mj·m-3(图2d-f)。

图2。(a-c)仿生大纤维材料的形态和结构表征。可以看出，细菌纳米纤维素被海藻酸钠基质均匀包裹，整个纤维呈现出类似天然生物纤维的多级螺旋缠绕结构。仿生大纤维材料拉伸力学性能表征表明，仿生设计显著提高了其拉伸强度、断裂伸长率和韧性。

该研究有效地解决了人工材料强度和韧性之间的矛盾。所获得的最大拉伸强度可与高性能纤维素基天然植物纤维相媲美，最大断裂伸长率可超过几乎所有纤维素基天然植物纤维和人工合成的纤维素基大纤维材料，加上其优异的韧性。这种仿生纤维结构设计策略有望应用于其他复杂等级结构材料的设计和制备。(合肥国家微型材料科学研究中心、化学与材料科学学院、研究部)

文章链接:

基于细菌纤维素纳米纤维的生物激发分级螺旋纳米复合材料大纤维，

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz077