我們的生活中，處處可見塑料。塑料製品在帶來極大便利的同時，也正造成嚴重的環境問題。科學家表示，大多數塑料來自於石油產品，由於其極端的穩定性，廢棄後在環境中長時間難以降解，最終造成持續性的環境汙染。
科學家們一致認為，研發一系列可持續的高性能結構材料，以部分替代石油基塑料，是該問題最有希望的解決方案之一。然而，現有的生物基可持續結構材料，都受到機械性能較差或製造過程過於繁瑣的限制，從成本和生產規模上制約了這類材料的應用。因此，引入先進的仿生結構設計來製造新型的可持續高性能結構材料，將能極大提高這類材料的性能，拓寬其應用範圍，加速可持續材料替代不可降解塑料的進程。
近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊將仿生結構設計理念運用於高性能生物基結構材料的研製上，發展了一種被稱為「定向變形組裝」的新型材料製造方法，實現了具有仿生結構的高性能可持續材料的規模化製備。
通過這種定向變形組裝方法，俞書宏團隊成功地將纖維素納米纖維（CNF）和二氧化鈦包覆的雲母片（TiO2-Mica）複合製備了具有仿生結構的高性能可持續結構材料，所獲得的結構材料具有比石油基塑料更好的機械和熱性能，有望成為石油基塑料的替代品。該工藝過程宜於放大，產品具有良好的可加工性和豐富多變的色彩和光澤，使其可以作為一種更加美觀和耐用的結構材料有望替代塑料。相關研究成果於11月3日發表在《自然通訊》上。
據介紹，該材料具有仿珍珠母的結構設計，這種仿生設計有效改善了材料的力學性能。珍珠母所具有的「磚—泥」結構，使其可以基於普通的天然物質構築高性能材料，併兼具高強度和高韌性的優良特性。研究人員通過多尺度的仿生結構設計和表面化學調控，成功構築了這種兼具高強韌特點的天然生物基可持續結構材料。二氧化鈦包覆的雲母片作為仿生結構中的磚塊，一方面為結構材料提供了遠高於工程塑料的強度，另一方面還通過裂紋偏轉等仿生結構原理，大幅提高了材料的韌性和抗裂紋擴展性能，為該材料作為一種新興可持續材料替代現有不可降解塑料打下了堅實基礎。
此外，結構材料的熱性能，尤其是在使用條件下的高溫或多變溫度下的應用至關重要。由於不良的熱性能，如不良的熱穩定性和高溫下的軟化等，就會讓塑料的應用受到限制。然而，此次製備出的這種純天然仿生結構材料具有超過工程塑料的熱性能。「這可以歸因於CNF的高結晶度，TiO2-Mica的良好熱穩定性以及表面化學改性的帶來的強相互作用。這種可持續結構材料在-130℃至150℃的溫度範圍內，尺寸幾乎沒有變化，與塑料的劇烈收縮和膨脹形成鮮明對比。」據該團隊科研人員介紹說。在實際應用中，材料的熱脹冷縮會導致熱應力，該應力通常會導致結構故障，因此，低熱膨脹係數是在使用條件下在可變溫度下長期使用結構材料的重要保障。在室溫下，該新材料熱膨脹係數約為7×10-6K-1，僅為大多數塑料的十分之一。
值得一提的是，這種全天然結構材料的機械性能在溫度變化時也幾乎保持不變。它的儲能模量可以保持在20GPa左右，並且在25℃至200℃的溫度範圍內幾乎保持穩定，這比塑料的儲能模量更高且更穩定。此外，它的熱擴散係數也高於大多數工程塑料，因此有利於散熱，從而進一步確保了實際應用的可靠性。
因此，作為一種新興的結構材料，這種全天然仿生結構材料比塑料更安全、更可靠，能夠成為一種可持續、輕便、高性能的塑料替代品。（記者 陳婉婉）
【來源：安徽日報】
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