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中科院“材料魔术师”俞书宏院士团队:纳米纤维素新型仿生材料问世!性能远超传统塑料

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DeepTech深科技 2020-11-26 15:57

近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队运用仿生结构设计理念,发展出一种被称为 “定向变形组装” 的新材料制造方法,该团队采用上述方法将纤维素纳米纤维二氧化钛包覆的云母片复合,制备出具有仿生结构的高性能可持续结构材料,具有比石油基塑料更好的机械性能与热性能,有望成为塑料的替代品。

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图 | 俞书宏院士

日前,论文以(An all-natural bioinspired structural material for plastic replacement)为题发表在 Nature Communications 上。

该研究论文一作管庆方博士告诉 DeepTech,这种新材料采用仿珍珠母的结构设计,该仿生设计可有效改善材料的力学性能,并能制备出基于普通天然物质的高性能材料,且兼具高强度和高韧性的优良特性。

图 | 定向变形组装方法示意图

采用多尺度仿生结构设计和表面化学调控

研究中,该团队通过多尺度的仿生结构设计和表面化学调控,构筑了这种兼具高强韧特点的天然生物基可持续结构材料。

具体来说,以二氧化钛包覆的云母片作为仿生结构中的砖块,一方面为结构材料提供了远高于工程塑料的强度。另一方面,还通过裂纹偏转等仿生结构原理,大幅提高了材料韧性和抗裂纹扩展性能,从而为该材料作为一种新兴的可持续材料,来替代现有的不可降解塑料,打下了坚实基础。

图 | 纳米纤维素新型仿生材料的制备和表征

实验表明,该仿生结构材料既具有远高于工程塑料的强度,又有很强的韧性和抗裂纹扩展性能。在零下 130 摄氏度至零上 150 摄氏度的温度范围内,其尺寸不会发生变化,与塑料的剧烈收缩和膨胀形成鲜明对比。

在室温下,它的热膨胀系数仅为大多数塑料的约十分之一。

现代生活紧密地依赖于塑料,然而塑料的数量巨大,这些塑料大部分来自石油化工。对于这些复杂的环境问题,虽然没有灵丹妙药,但通过仿生结构设计提升生物基材料性能,可以成为一种有前途的策略。

图 | 纳米纤维素新型仿生材料和聚合物的力学与热学性能比较

对此,俞书宏团队开发出一种简单而高效的仿生方法,该方法名为 “定向变形组装”。采用变形组装的方法,该团队制造出全天然的高性能仿生结构材料,与此同时还制备出纤维素纳米纤维 (CNF) 和二氧化钛云母片(二氧化钛 - 云母) 复合水凝胶。

作为地球上最丰富的全绿色资源之一,CNF,高性能一维 (1D) 纤维素纳米纤维,可从植物中提取或由细菌产生。它具有高强度 (至少 2 GPa),低热膨胀系数 (CTE)(1×107 K1),并有大量的羟基和羧基,表明它是一种理想的生物质基结构单元。

云母片来自天然云母,是纯天然的二维 (2D) 无机材料。基于云母片,二氧化钛云母在商业上可获得,因为它的独特美丽的珠光色泽,已广泛用于颜料或化妆品。

此外,二氧化钛云母片的表面与文石片的表面一致,存在大量纳米颗粒,颗粒粒径在 10 ~ 100nm 之间。因此,二氧化钛云母片 (二氧化钛 - 云母) 复合水凝胶是一种合适的二维无机砌块制造仿生可持续结构材料。

图 | 纳米纤维素新型仿生材料的力学性能

最终获得的高性能可持续仿生结构材料,具有较好的力学性能和热性能。作为一种新兴结构材料,比石油基塑料性能更为优异,色彩可调控,更加安全可靠,其有望成为石油塑料的有力竞争者。

如果可以大量生产,再加上优良加工性能和可调着色,该材料将可用于制造美观、耐用的结构材料,在各种电子器件的结构材料等方面具有广阔的应用潜力。

图 | 纳米纤维素新型仿生材料与高性能塑料的热学性能对比

“定向变形组装”技术

谈及本次研究,管庆方表示,经过几十亿年的进化,大自然鬼斧神工地创造了无数精巧绝伦的结构。比如,螳螂虾的钳子具有分层取向螺旋结构,贝壳珍珠层具有 “砖泥结构”,天然木头具有取向孔道结构等。

由于这些多级尺度上精巧的结构,而具有优异的性能。因此,在材料设计与制造策略上,该团队受到珍珠层的多尺度结构的启发,采用基于纯天然材料的多层分层性能,进行了有序的结构设计。

本次研究遇到的主要挑战是,将天然组分结构单元,加工为高性能结构材料。过程中他们尝试了很多办法,为的是探索出能大规模制造高性能仿生材料的新方法。最终团队摸索出 “定向变形组装” 方法,实现了精巧的结构设计,实现了高性能可持续仿生结构材料的制造。

谈及 “定向变形组装” 仿生新材料的研究原理,研究人员告诉 DeepTech,“定向变形组装” 具体指的是在压力的作用下,保持其他两个方向的尺寸不变,将材料厚度减小后,从而实现二维片层的有序取向排列,最终形成高度有序的 “砖泥结构”,进而得到高性能可持续的仿生结构材料。

此外,“定向变形组装” 还可进行扩展的地方是,在受限体系中,保持其他方向尺寸不变,定向改变一个方向的尺寸,以实现预期的有序结构设计。

图 | 纳米纤维素新型仿生材料的微观结构

具体实现过程中,“定向变形组装” 克服了传统仿生材料制备条件和加工手段的限制,研究团队通过简单可扩大的方法,实现了精巧的仿生结构设计,同时这也是高性能仿生新材料的规模化生产道路上的重要探索。

关于技术落地及产业化,其表示,现有石油基塑料经过长时间的发展,具有非常成熟的产业链,也具有一定的价格优势。一种新的工艺、新的材料想要真正落地,必须架构起完善的产业链,这是一个复杂的过程,这也是新材料产业发展的客观规律。

对于离不开材料的我们来说,这种仿生新材料对于促进生物基新材料的实际应用具有积极意义。

最近,国家发改委、生态环境部等九部门联合印发《关于扎实推进塑料污染治理工作的通知》,提出自 2021 年 1 月 1 日起,在直辖市、省会城市、计划单列市城市建成区的商场、超市、药店、书店等场所,餐饮打包外卖服务以及各类展会活动中,禁止使用不可降解塑料购物袋,但是暂不禁止连卷袋、保鲜袋和垃圾袋。

管庆方告诉 DeepTech,按照来源,塑料主要分为石油基塑料和生物基塑料,按照可降解性能,可以分为可生物降解和不可生物降解。石油基塑料是目前应用最广泛的,其中绝大部分不可生物降解,会对环境产生一定的危害。

而生物基可生物降解材料是未来发展的希望,但是目前其综合性能与高性能石油基塑料还有一定的差距,仍需要进一步发展。

大自然是一个先进的 “合成工厂”

据研究人员介绍,团队主要致力于高性能生物基可生物降解材料的研发,基于天然原材料,进行结构设计,提升材料性能,使其综合性能达到甚至优于石油基塑料。除上述优势之外,它的抗冲击性能也很好,因此可实现许多工业和制造领域的生产需求,如航天、交通和环保等。

图 | 俞书宏所在实验室

据悉,俞书宏团队长期从事无机合成化学研究。在他眼中,“大自然就像是一个先进的‘合成工厂’,不断制造出具有各种奇异功能的生物材料或生物体。” 因此,贝壳、珍珠,到北极熊、爬山虎、甚至人体骨骼,都是该团队的研究对象。

图 | 研究团队

在团队努力下,此前已有一批新颖且功能强大的仿生材料诞生于该实验室,他也因此被誉为 “材料魔术师”。

据悉,他们已经建立和发展了系列无机纳米材料的仿生合成、自组装技术及模拟生物矿化方法,基于上述技术方法成功仿生合成多种神奇的宏观尺度轻质高强新材料,如与天然珍珠母高度类似的人工合成珍珠母;受北极熊毛发中空结构启发,研制的新型轻质、保温、隔热碳材料;防火、隔热、耐腐蚀的仿生聚合物木材等。

图 | 俞书宏曾在央视采访中表示很多想法来源于大自然

谈及对于后辈的科研寄语,俞书宏院士曾对媒体表示:“年轻人应该志存高远,坐得了‘冷板凳’,专注一个方向,坚持做原创。”而他本身所做的工作,也是一种从 “0” 到 “1” 的取之于自然的原创性工作。

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