中國科學家研製新型仿生納米複合纖維材料既強又韌

觀察者網31日從中國科學技術大學獲悉，該校俞書宏教授研究團隊借鑑天然生物纖維的策略，成功研製了一種既強又韌的宏觀尺度纖維素基納米複合纖維材料。相關成果日前在線發表於《國家科學評論》。

據介紹，基於生物質來源的高性能納米複合材料正逐漸發展成為未來結構和功能應用的理想材料。由植物組織分離或細菌發酵得到的納米尺度纖維素，可以説是地球上儲量最豐富的納米級原材料，其密度低、熱穩定性好、力學性能出色，同時可降解、可再生、可持續，因而受到諸多關注。

圖1. (a) 仿生宏觀纖維材料的製備流程圖；(b,c) 經溶液紡絲得到的濕態宏觀納米複合纖維單絲；(d) 經多級螺旋纏繞得到的螺旋結構濕態宏觀納米複合纖維。

研究人員希望利用其研製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，於是低韌性、易脆斷等問題嚴重限制了此類材料在先進織物等領域中的實際應用。

反觀自然界，許多植物纖維和動物纖維都實現了高強度和高韌性的完美組合。它們具有一些共性：都是天然的納米複合材料，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中構成，並具有高度有序的多級螺旋纏繞結構。

研究人員以高強度細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，將兩者的複合水溶液進行溶液紡絲，得到拉伸強度初步提升的單取向結構宏觀納米複合纖維。單純海藻酸鈉宏觀纖維的拉伸強度為190 MPa，而所得納米複合纖維的拉伸強度提高至420 MPa。

隨後，他們通過多級螺旋纏繞結構設計，得到了具有類似生物纖維結構特徵的宏觀人工纖維材料，其拉伸強度繼續提升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535 MPa、16%和45 MJ m-3。

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

該成果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，這種仿生纖維結構設計策略有望應用在其他複雜等級結構材料的設計和製備中。