近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊運用仿生結構設計理念，發展出一種被稱為 「定向變形組裝」 的新材料製造方法，該團隊採用上述方法將纖維素納米纖維和二氧化鈦包覆的雲母片複合，製備出具有仿生結構的高性能可持續結構材料，具有比石油基塑料更好的機械性能與熱性能，有望成為塑料的替代品。
圖 | 俞書宏院士
日前，論文以（An all-natural bioinspired structural material for plastic replacement）為題發表在 Nature Communications 上。
該研究論文一作管慶方博士告訴 DeepTech，這種新材料採用仿珍珠母的結構設計，該仿生設計可有效改善材料的力學性能，並能製備出基於普通天然物質的高性能材料，且兼具高強度和高韌性的優良特性。
圖 | 定向變形組裝方法示意圖
採用多尺度仿生結構設計和表面化學調控
研究中，該團隊通過多尺度的仿生結構設計和表面化學調控，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。
具體來說，以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，大幅提高了材料韌性和抗裂紋擴展性能，從而為該材料作為一種新興的可持續材料，來替代現有的不可降解塑料，打下了堅實基礎。
圖 | 納米纖維素新型仿生材料的製備和表徵
實驗表明，該仿生結構材料既具有遠高於工程塑料的強度，又有很強的韌性和抗裂紋擴展性能。在零下 130 攝氏度至零上 150 攝氏度的溫度範圍內，其尺寸不會發生變化，與塑料的劇烈收縮和膨脹形成鮮明對比。
在室溫下，它的熱膨脹係數僅為大多數塑料的約十分之一。
現代生活緊密地依賴於塑料，然而塑料的數量巨大，這些塑料大部分來自石油化工。對於這些複雜的環境問題，雖然沒有靈丹妙藥，但通過仿生結構設計提升生物基材料性能，可以成為一種有前途的策略。
圖 | 納米纖維素新型仿生材料和聚合物的力學與熱學性能比較
對此，俞書宏團隊開發出一種簡單而高效的仿生方法，該方法名為 「定向變形組裝」。採用變形組裝的方法，該團隊製造出全天然的高性能仿生結構材料，與此同時還製備出纖維素納米纖維 (CNF) 和二氧化鈦雲母片(二氧化鈦 - 雲母) 複合水凝膠。
作為地球上最豐富的全綠色資源之一，CNF，高性能一維 (1D) 纖維素納米纖維，可從植物中提取或由細菌產生。它具有高強度 (至少 2 GPa)，低熱膨脹係數 (CTE)(1×107 K1)，並有大量的羥基和羧基，表明它是一種理想的生物質基結構單元。
雲母片來自天然雲母，是純天然的二維 (2D) 無機材料。基於雲母片，二氧化鈦雲母在商業上可獲得，因為它的獨特美麗的珠光色澤，已廣泛用於顏料或化妝品。
此外，二氧化鈦雲母片的表面與文石片的表面一致，存在大量納米顆粒，顆粒粒徑在 10 ~ 100nm 之間。因此，二氧化鈦雲母片 (二氧化鈦 - 雲母) 複合水凝膠是一種合適的二維無機砌塊製造仿生可持續結構材料。
圖 | 納米纖維素新型仿生材料的力學性能
最終獲得的高性能可持續仿生結構材料，具有較好的力學性能和熱性能。作為一種新興結構材料，比石油基塑料性能更為優異，色彩可調控，更加安全可靠，其有望成為石油塑料的有力競爭者。
如果可以大量生產，再加上優良加工性能和可調著色，該材料將可用於製造美觀、耐用的結構材料，在各種電子器件的結構材料等方面具有廣闊的應用潛力。
圖 | 納米纖維素新型仿生材料與高性能塑料的熱學性能對比
「定向變形組裝」技術
談及本次研究，管慶方表示，經過幾十億年的進化，大自然鬼斧神工地創造了無數精巧絕倫的結構。比如，螳螂蝦的鉗子具有分層取向螺旋結構，貝殼珍珠層具有 「磚泥結構」，天然木頭具有取向孔道結構等。
由於這些多級尺度上精巧的結構，而具有優異的性能。因此，在材料設計與製造策略上，該團隊受到珍珠層的多尺度結構的啟發，採用基於純天然材料的多層分層性能，進行了有序的結構設計。
本次研究遇到的主要挑戰是，將天然組分結構單元，加工為高性能結構材料。過程中他們嘗試了很多辦法，為的是探索出能大規模製造高性能仿生材料的新方法。最終團隊摸索出 「定向變形組裝」 方法，實現了精巧的結構設計，實現了高性能可持續仿生結構材料的製造。
談及 「定向變形組裝」 仿生新材料的研究原理，研究人員告訴 DeepTech，「定向變形組裝」 具體指的是在壓力的作用下，保持其他兩個方向的尺寸不變，將材料厚度減小後，從而實現二維片層的有序取向排列，最終形成高度有序的 「磚泥結構」，進而得到高性能可持續的仿生結構材料。
此外，「定向變形組裝」 還可進行擴展的地方是，在受限體系中，保持其他方向尺寸不變，定向改變一個方向的尺寸，以實現預期的有序結構設計。
具體實現過程中，「定向變形組裝」 克服了傳統仿生材料製備條件和加工手段的限制，研究團隊通過簡單可擴大的方法，實現了精巧的仿生結構設計，同時這也是高性能仿生新材料的規模化生產道路上的重要探索。
關於技術落地及產業化，其表示，現有石油基塑料經過長時間的發展，具有非常成熟的產業鏈，也具有一定的價格優勢。一種新的工藝、新的材料想要真正落地，必須架構起完善的產業鏈，這是一個複雜的過程，這也是新材料產業發展的客觀規律。
對於離不開材料的我們來說，這種仿生新材料對於促進生物基新材料的實際應用具有積極意義。
最近，國家發改委、生態環境部等九部門聯合印發《關於紮實推進塑料汙染治理工作的通知》，提出自 2021 年 1 月 1 日起，在直轄市、省會城市、計劃單列市城市建成區的商場、超市、藥店、書店等場所，餐飲打包外賣服務以及各類展會活動中，禁止使用不可降解塑料購物袋，但是暫不禁止連卷袋、保鮮袋和垃圾袋。
管慶方告訴 DeepTech，按照來源，塑料主要分為石油基塑料和生物基塑料，按照可降解性能，可以分為可生物降解和不可生物降解。石油基塑料是目前應用最廣泛的，其中絕大部分不可生物降解，會對環境產生一定的危害。
而生物基可生物降解材料是未來發展的希望，但是目前其綜合性能與高性能石油基塑料還有一定的差距，仍需要進一步發展。
大自然是一個先進的 「合成工廠」
據研究人員介紹，團隊主要致力於高性能生物基可生物降解材料的研發，基於天然原材料，進行結構設計，提升材料性能，使其綜合性能達到甚至優於石油基塑料。除上述優勢之外，它的抗衝擊性能也很好，因此可實現許多工業和製造領域的生產需求，如航天、交通和環保等。
圖 | 俞書宏所在實驗室
據悉，俞書宏團隊長期從事無機合成化學研究。在他眼中，「大自然就像是一個先進的『合成工廠』，不斷製造出具有各種奇異功能的生物材料或生物體。」 因此，貝殼、珍珠，到北極熊、爬山虎、甚至人體骨骼，都是該團隊的研究對象。
圖 | 研究團隊
在團隊努力下，此前已有一批新穎且功能強大的仿生材料誕生於該實驗室，他也因此被譽為 「材料魔術師」。
據悉，他們已經建立和發展了系列無機納米材料的仿生合成、自組裝技術及模擬生物礦化方法，基於上述技術方法成功仿生合成多種神奇的宏觀尺度輕質高強新材料，如與天然珍珠母高度類似的人工合成珍珠母；受北極熊毛髮中空結構啟發，研製的新型輕質、保溫、隔熱碳材料；防火、隔熱、耐腐蝕的仿生聚合物木材等。
圖 | 俞書宏曾在央視採訪中表示很多想法來源於大自然
談及對於後輩的科研寄語，俞書宏院士曾對媒體表示：「年輕人應該志存高遠，坐得了『冷板凳』，專注一個方向，堅持做原創。」 而他本身所做的工作，也是一種從 「0」 到 「1」 的取之於自然的原創性工作。