當(dāng)前人們的生活離不開塑料制品，但塑料制品的大量使用也帶來了塑料垃圾。如今塑料污染已經(jīng)是人們所面臨的最嚴(yán)峻的環(huán)境問題之一，無論是基于石油化工的塑料生產(chǎn)，還是塑料的后處理，它都對生態(tài)和人類健康構(gòu)成了巨大威脅。因此，迫切需要開發(fā)一種100%環(huán)保的塑料替代品，同時還需具備優(yōu)異的機(jī)械性能和熱性能來滿足人們的使用需求。然而，設(shè)計和制造一種符合要求的可持續(xù)高性能結(jié)構(gòu)材料一直是一個巨大的挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士等人報道了一種高強(qiáng)度（281 MPa）、高韌性（11.5?MPa/m2）、高剛度（20 GPa）、低熱膨脹系數(shù)（7×10-6/K）和良好熱穩(wěn)定性的全天然結(jié)構(gòu)材料，密度僅為?1.7 g cm-3，有望作為塑料替代品。受珍珠殼層的多尺度體系結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，作者提出了一種簡單有效的策略，用純天然原料纖維素納米纖維（CNF）和TiO2包覆云母片（TiO2–云母）制備成機(jī)械性能和熱性能優(yōu)于塑料的可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料，并且具有可批量生產(chǎn)、可加工性和可調(diào)色性等特性，可以用于制造一系列高級、美觀和耐用的結(jié)構(gòu)材料來代替塑料。該研究以題為“An all-natural bioinspired structural material for plastic replacement”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。
【仿生珍珠殼層的微結(jié)構(gòu)】
受珍珠殼層微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，作者在全天然材料的基礎(chǔ)上（纖維素納米纖維和云母片），在多尺度體系下采用了分層有序的結(jié)構(gòu)設(shè)計。圖1a顯示了作者用于制備全天然仿生結(jié)構(gòu)材料的有效定向組裝方法的示意圖。二維TiO2–云母通過（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES）進(jìn)行預(yù)處理，促進(jìn)TiO2–云母和納米纖維之間的界面相互作用。兩者充分混合并通過Ca2+交聯(lián)形成水凝膠，然后可通過定向組裝法將其直接壓入結(jié)構(gòu)材料中。在定向組裝過程中，可以實(shí)現(xiàn)二維TiO2–云母的定向取向和一維纖維素納米纖維的均勻分布，從而形成高度有序的實(shí)體結(jié)構(gòu)（圖1b-e）。這種簡單、低成本、大規(guī)模的定向組裝方法可用于直接構(gòu)造具有高度有序?qū)嶓w結(jié)構(gòu)的高性能可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料。
圖1全天然生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)材料的制造和表征
【優(yōu)異的機(jī)械和熱性能】
云母的定向排列形成了高度有序的實(shí)體結(jié)構(gòu)，使得該材料顯示出281 MPa的高強(qiáng)度和20 GPa的高剛度。而纖維素納米纖維和TiO2-云母緊密結(jié)合在一起（圖2a），可以有效緩解局部高應(yīng)力（圖3c–e），賦予了材料更強(qiáng)的韌性。此外，該結(jié)構(gòu)材料在-130至150℃的溫度范圍內(nèi)幾乎沒有形變（圖3a），其熱膨脹系數(shù)在室溫比塑料低了10倍以上（圖3b）。由于良好的熱穩(wěn)定性和較低的熱膨脹系數(shù)，該結(jié)構(gòu)材料的儲能模量為20GPa，在25-200℃的寬泛的溫度變化下幾乎保持不變（圖3c）。直觀的說，所有典型的塑料在250°C時就已經(jīng)完全軟化（圖3e，f），相比之下，全天然結(jié)構(gòu)材料沒有發(fā)生任何變化。如此優(yōu)異的機(jī)械和熱性能表明，作為一種新興的結(jié)構(gòu)材料，該全天然生物啟發(fā)的結(jié)構(gòu)材料比塑料更安全、更可靠，從而使其在可變溫度下能夠替代塑料，從而成為可持續(xù)、輕便、高性能的結(jié)構(gòu)材料。
圖2實(shí)體結(jié)構(gòu)及其增韌機(jī)制
圖3全天然結(jié)構(gòu)材料與常規(guī)塑料的熱性能比較
【塑料將被取代？】
該結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和模量分別比大多數(shù)塑料高出兩倍和五倍（圖4a），可作為塑料的替代品提供足夠的機(jī)械性能保證。其熱膨脹系數(shù)和熱擴(kuò)散均比塑料好得多（圖4b），在高溫下不會軟化，這使得這種全天然生物啟發(fā)的結(jié)構(gòu)材料在高溫或可變溫度下非常安全可靠。此外，制備該結(jié)構(gòu)材料的工藝方法成本低、規(guī)模大，可實(shí)現(xiàn)全天然生物啟發(fā)的結(jié)構(gòu)材料的批量生產(chǎn)（圖4c）。而且根據(jù)不同的市售原材料（例如不同的云母），作者可以制備出各種顏色可調(diào)的全天然結(jié)構(gòu)材料（圖4d）。該結(jié)構(gòu)材料還具有良好的加工性，可以加工成所需的形狀和尺寸（圖4e），顯示出在實(shí)際應(yīng)用中代替塑料的巨大潛力。
圖4全天然生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)勢與前景
總結(jié)：作者通過高度有序的實(shí)體結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計，制備出了全天然的結(jié)構(gòu)材料，其機(jī)械和熱性能優(yōu)于當(dāng)前的塑料制品。這種可持續(xù)的高性能結(jié)構(gòu)材料還能進(jìn)行批量生產(chǎn)，從而使其成為塑料的有力競爭者。作者預(yù)計該全天然生物啟發(fā)的高性能結(jié)構(gòu)材料可以在塑料替代中發(fā)揮關(guān)鍵作用。由此可見，塑料時代的終結(jié)真的會到來嗎？
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