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，儲(chǔ)藏豐富、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)，受到諸多關(guān)注。科學(xué)家希望利用其研制出宏觀尺度的高性能纖維素基纖維材料，但當(dāng)前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)，低韌性、易脆斷等問題嚴(yán)重限制此類材料在先進(jìn)織物等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。

　　在自然界中，許多植物纖維(如麻纖維、棉纖維等)和動(dòng)物纖維(如毛發(fā)、蠶絲等)都有效規(guī)避了強(qiáng)、韌之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和高韌性的組合。已有研究表明，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(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)。

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏團(tuán)隊(duì)借鑒天然生物纖維策略，研制出一種既強(qiáng)又韌的宏觀尺度纖維素基納米復(fù)合纖維材料。

　　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(圖1a-c)。單純海藻酸鈉宏觀纖維的拉伸強(qiáng)度為190MPa，所得納米復(fù)合纖維的拉伸強(qiáng)度提高至420MPa。通過多級(jí)螺旋纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該研究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(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)535MPa、16%和45MJ·m-3(圖2d-f)。

　　該研究解決了人工材料中強(qiáng)度和韌性之間難以調(diào)和的矛盾，所獲得的最高拉伸強(qiáng)度可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絕大多數(shù)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，且具有突出的韌性。這種仿生纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略有望應(yīng)用于其他復(fù)雜等級(jí)結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)和制備。

　　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(píng)論》。論文第一作者為副研究員高懷嶺、碩士研究生趙然。

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(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

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(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，可見通過仿生設(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