觀察者網(wǎng)31日從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書宏教授研究團(tuán)隊(duì)借鑒天然生物纖維的策略，成功研制了一種既強(qiáng)又韌的宏觀尺度纖維素基納米復(fù)合纖維材料。相關(guān)成果日前在線發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》。

據(jù)介紹，基于生物質(zhì)來(lái)源的高性能納米復(fù)合材料正逐漸發(fā)展成為未來(lái)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(shuō)是地球上儲(chǔ)量最豐富的納米級(jí)原材料，其密度低、熱穩(wěn)定性好、力學(xué)性能出色，同時(shí)可降解、可再生、可持續(xù)，因而受到諸多關(guān)注。

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(jí)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(qiáng)度和韌性之間的矛盾尚未得到解決。高強(qiáng)度的獲得往往以犧牲其斷裂延伸率和韌性為代價(jià)，于是低韌性、易脆斷等問(wèn)題嚴(yán)重限制了此類材料在先進(jìn)織物等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。

反觀自然界，許多植物纖維和動(dòng)物纖維都實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和高韌性的完美組合。它們具有一些共性：都是天然的納米復(fù)合材料，由高度取向的高強(qiáng)度納米纖維單元包裹在較柔軟的有機(jī)物基質(zhì)中構(gòu)成，并具有高度有序的多級(jí)螺旋纏繞結(jié)構(gòu)。

研究人員以高強(qiáng)度細(xì)菌納米纖維素作為增強(qiáng)基元，以海藻酸鈉生物大分子作為有機(jī)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(qiáng)度初步提升的單取向結(jié)構(gòu)宏觀納米復(fù)合纖維。單純海藻酸鈉宏觀纖維的拉伸強(qiáng)度為190 MPa，而所得納米復(fù)合纖維的拉伸強(qiáng)度提高至420 MPa。

隨后，他們通過(guò)多級(jí)螺旋纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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，其拉伸強(qiáng)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(qiáng)度、斷裂延伸率和韌性分別可達(dá)535 MPa、16%和45 MJ m-3。

圖2. (a-c) 仿生宏觀纖維材料的形貌結(jié)構(gòu)表征，可見(jiàn)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(jí)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(jiàn)通過(guò)仿生設(shè)計(jì)使其拉伸強(qiáng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略有望應(yīng)用在其他復(fù)雜等級(jí)結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)和制備中。