中國科大研制新型仿生增強增韌納米復(fù)合纖維材料

基于生物質(zhì)來源的高性能納米復(fù)合材料正逐漸發(fā)展成為未來結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用的理想材料。由植物組織分離或細(xì)菌發(fā)酵得到的納米尺度纖維素，可以說是地球上儲量最豐富的納米級原材料，其密度低、熱穩(wěn)定性好、力學(xué)性能出色，同時可降解、可再生、可持續(xù)，因而受到諸多關(guān)注。研究人員希望利用其研制出宏觀尺度的高性能纖維素基纖維材料。然而，所制纖維素基宏觀纖維材料的強度和韌性之間的矛盾尚未得到解決。高強度的獲得往往以犧牲其斷裂延伸率和韌性為代價，于是低韌性、易脆斷等問題嚴(yán)重限制了此類材料在先進(jìn)織物等領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。

反觀自然界，許多植物纖維（如麻纖維、棉纖維等）和動物纖維（如毛發(fā)、蠶絲等）都有效規(guī)避了強、韌之間的矛盾，實現(xiàn)了高強度和高韌性的完美組合。研究揭示，這些典型的生物結(jié)構(gòu)材料具有一些共性：它們都是天然的納米復(fù)合材料，由高度取向的高強度納米纖維單元包裹在較柔軟的有機物基質(zhì)中構(gòu)成，并具有高度有序的多級螺旋纏繞結(jié)構(gòu)。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授研究團隊借鑒天然生物纖維的策略，成功研制了一種既強又韌的宏觀尺度纖維素基納米復(fù)合纖維材料。相關(guān)成果以“Bioinspired hierarchical helical nanocomposite macrofibers based on bacterial cellulose nanofibers”為題在線發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review 2019, DOI: 10.1093/nsr/nwz077），第一作者為高懷嶺副研究員和碩士生趙然。

圖1. （a） 仿生宏觀纖維材料的制備流程圖；（b,c） 經(jīng)溶液紡絲得到的濕態(tài)宏觀納米復(fù)合纖維單絲；（d） 經(jīng)多級螺旋纏繞得到的螺旋結(jié)構(gòu)濕態(tài)宏觀納米復(fù)合纖維。

研究人員以高強度細(xì)菌納米纖維素作為增強基元，以海藻酸鈉生物大分子作為有機物基質(zhì)，將兩者的復(fù)合水溶液進(jìn)行溶液紡絲，得到拉伸強度初步提升的單取向結(jié)構(gòu)宏觀納米復(fù)合纖維（圖1a-c）。單純海藻酸鈉宏觀纖維的拉伸強度為190 MPa，而所得納米復(fù)合纖維的拉伸強度提高至420 MPa。隨后，他們通過多級螺旋纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到了具有類似生物纖維結(jié)構(gòu)特征的宏觀人工纖維材料（圖1d，圖2a-c），其拉伸強度繼續(xù)提升25%，斷裂延伸率和韌性則分別同步提升近50%和100%，最終拉伸強度、斷裂延伸率和韌性分別可達(dá)535 MPa、16%和45 MJ m-3（圖2d-f）。

圖2. （a-c） 仿生宏觀纖維材料的形貌結(jié)構(gòu)表征，可見細(xì)菌納米纖維素被海藻酸鈉基質(zhì)均勻包裹，且纖維整體呈現(xiàn)出類似天然生物纖維的多級螺旋纏繞結(jié)構(gòu)；（d-f） 仿生宏觀纖維材料的拉伸力學(xué)性能表征，可見通過仿生設(shè)計使其拉伸強度、斷裂延伸率和韌性均得到顯著提升。

該研究有效解決了人工材料中強度和韌性之間難以調(diào)和的矛盾，所獲得的最高拉伸強度可以和高性能纖維素基天然植物纖維相媲美，可達(dá)到的最高斷裂延伸率超過了幾乎所有纖維素基天然植物纖維和人工合成的纖維素基宏觀纖維材料，再加上其突出的韌性。這種仿生纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計策略有望應(yīng)用于其他復(fù)雜等級結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計和制備。（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）文章鏈接：