塑料制品給現(xiàn)代生活帶來極大便利的同時，也正造成嚴重的環(huán)境問題。大多數(shù)塑料來自于石油產(chǎn)品，由于其極端的穩(wěn)定性，廢棄后在環(huán)境中長時間也難以降解，最終造成持續(xù)性的環(huán)境污染問題。研發(fā)一系列可持續(xù)的高性能結(jié)構(gòu)材料，以部分替代石油基塑料，是該問題最有希望的解決方案之一，F(xiàn)有的生物基可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料都受到機械性能較差或制造過程的過于繁瑣的限制，這些因素從成本和生產(chǎn)規(guī)模上制約了這類材料的應(yīng)用。因此，引入先進的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計來制造新型的可持續(xù)高性能結(jié)構(gòu)材料將可以極大地提高這類材料的性能，拓寬其應(yīng)用范圍，加速可持續(xù)材料替代不可降解塑料的進程。
近日，中國科學技術(shù)大學俞書宏院士團隊將仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計理念運用于高性能生物基結(jié)構(gòu)材料的研制，發(fā)展了一種被稱為“定向變形組裝”的新型材料制造方法，實現(xiàn)了具有仿生結(jié)構(gòu)的高性能可持續(xù)材料的規(guī)模化制備（圖一）。通過這種定向變形組裝方法，團隊成功地將纖維素納米纖維（CNF）和二氧化鈦包覆的云母片（TiO2-Mica）復(fù)合制備了具有仿生結(jié)構(gòu)的高性能可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料。所獲得的結(jié)構(gòu)材料具有比石油基塑料更好的機械和熱性能，有望成為石油基塑料的替代品。該工藝過程宜于放大，產(chǎn)品具有良好的可加工性和豐富多變的色彩和光澤，使其可以作為一種更加美觀和耐用的結(jié)構(gòu)材料有望替代塑料（圖二）。相關(guān)研究成果于11月3日以“An all-natural bioinspired structural material for plastic replacement”為題發(fā)表在Nature Communications上。
圖 1.仿生可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料的制備與表征。a，定向變形組裝法制備仿生可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料的示意圖。b，天然貝殼。c，天然貝殼珍珠母層的磚泥結(jié)構(gòu)。d，仿生可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料。e，仿生可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部的人造磚泥結(jié)構(gòu)。
該材料具有仿珍珠母的結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種仿生設(shè)計有效地改善了材料的力學性能。珍珠母所具有的磚-泥結(jié)構(gòu)，使其可以基于普通的天然物質(zhì)構(gòu)筑高性能的材料，并兼具高強度和高韌性的優(yōu)良特性。研究人員通過多尺度的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計和表面化學調(diào)控，成功構(gòu)筑了這種兼具高強韌特點的天然生物基可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料。二氧化鈦包覆的云母片作為仿生結(jié)構(gòu)中的磚塊，一方面為結(jié)構(gòu)材料提供了遠高于工程塑料的強度，另一方面，還通過裂紋偏轉(zhuǎn)等仿生結(jié)構(gòu)原理，大幅提高了材料的韌性和抗裂紋擴展性能，為該材料作為一種新興的可持續(xù)材料替代現(xiàn)有的不可降解塑料打下了堅實的基礎(chǔ)。
圖 2. 仿生可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料與聚合物材料的力學與熱學性能比較。a，仿生可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料與傳統(tǒng)聚合物的強度模量比較圖。 b，仿生可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料與傳統(tǒng)聚合物的熱膨脹系數(shù)和熱導率比較圖。c，大尺寸仿生可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料（310 × 300 × 18 mm3）。d，具有不同顏色的的仿生可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料，比例尺：2 cm。e，基于仿生可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料制造的智能手機背板。
此外，結(jié)構(gòu)材料的熱性能，尤其是在使用條件下的高溫或多變溫度下的應(yīng)用至關(guān)重要。由于不良的熱性能（例如不良的熱穩(wěn)定性和高溫下的軟化），塑料的應(yīng)用受到了限制。然而，純天然的仿生結(jié)構(gòu)材料具有超過工程塑料的熱性能，這可以歸因于CNF的高結(jié)晶度，TiO2-Mica的良好熱穩(wěn)定性以及表面化學改性的帶來的強相互作用，使其成為塑料的高性能替代品。這種可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料在-130℃至150℃的溫度范圍內(nèi)，尺寸幾乎沒有變化，與塑料的劇烈收縮和膨脹形成鮮明對比。在室溫下，該材料熱膨脹系數(shù)（CTE）約為7×10-6 K-1，僅為大多數(shù)塑料的十分之一（圖二）。在實際應(yīng)用中，材料的熱脹冷縮會導致熱應(yīng)力，該應(yīng)力通常會導致結(jié)構(gòu)故障，因此，低熱膨脹系數(shù)是在使用條件下在可變溫度下長期使用結(jié)構(gòu)材料的重要保障。
這種全天然結(jié)構(gòu)材料的機械性能在溫度變化時也幾乎保持不變。它的儲能模量可以保持在20 GPa左右，并且在25℃至200℃的溫度范圍內(nèi)幾乎保持穩(wěn)定，這比塑料的儲能模量更高且更穩(wěn)定。此外，它的熱擴散系數(shù)也高于大多數(shù)工程塑料，因此有利于散熱，從而進一步確保了實際應(yīng)用的可靠性。作為一種新興的結(jié)構(gòu)材料，這種全天然仿生結(jié)構(gòu)材料比塑料更安全，更可靠，從而使其在高溫或可變溫度下能夠替代塑料而成為一種可持續(xù)，輕便，高性能的塑料替代品。
該工作得到了國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學基金重點項目、國家重大科學研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創(chuàng)新中心、合肥大科學中心卓越用戶基金等資助。三維重構(gòu)表征于中國科學技術(shù)大學微納研究與制造中心完成。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19174-1
