五一假期第一天，繼上海、成都和杭州等國內城市之後，北京也開始全面進行強制垃圾分類，正式施行《北京市生活垃圾管理條例》。
塑料作為我們日常生活中最為常見的垃圾，儘管其具有輕便、結實和廉價的特點，是一種被人類廣泛使用的人造材料，但其在為人類生活提供便利的同時，也給人類帶來了巨大的危害。愈發嚴重的 「白色汙染」 問題，已經成為全人類亟需解決的共同難題。我們需要尋找一種綠色、高性能的塑料替代品。
日前，由中國科學技術大學俞書宏教授領導的團隊報告了一種高性能結構材料——纖維素納米纖維板（Cellulose Nanofiber Plate，CNFP），有望在多個領域取代塑料。相關研究論文已發表在 Science Advances 雜誌上。
塑料的不易降解性，導致其廢棄物可以長期存在。塑料自然降解時間長，有的甚至長達 100 年以上，而且往往使用一次就被丟棄，全球每一天都會大量廢棄塑料產生，這就導致 「白色汙染」 問題愈發嚴重；此外，許多未經回收的塑料最終會進入海洋，在海浪、陽光和海洋動物的共同作用下，被分解成數百萬個微小碎片（即微塑料），微塑料可能會通過我們日常吃的魚或者喝的水進入我們的血液和免疫系統，從而危害我們的身體健康。
作為一種 「事後」 手段，垃圾分類也僅僅有助於解決塑料的去向問題，並沒有從源頭上解決根本問題。尋找一種可行的塑料可替代品或許是一種更好的解決方案，這也是全球科研人員一直在努力攻關的方向。
近年來，設計同時具有互斥屬性（例如強度和韌性）的高性能結構材料，尤其是基於納米構件的結構材料，引起了科研人員越來越多的興趣。當這些納米構件被 「組裝」 成宏觀尺度的材料時，許多納米級性質就可以被擴展到宏觀層面。特別是，用可再生和可持續的納米構件來構建一種高性能、綠色的塊狀結構材料非常重要。
地球上的大多數植物在長期進化過程中，纖維素基材料已經被用來作為它們自己的結構支撐材料。植物中的纖維素主要以纖維素納米纖維（CNF）的形式存在，具有出色的機械和熱學性能。CNF 可以從植物中提取，也可以由細菌產生，是地球上最豐富的綠色資源之一，它具有低密度、低熱膨脹係數、高強度、高剛度、易變形等優良性能，是構建宏觀高性能材料的理想納米級構件，它比凱芙拉（Kevlar）和鋼具有更高的強度（2 GPa）和模量（138 GPa），並且與石英玻璃相比，它具有更低的熱膨脹係數（0.1 ppm/K）。
儘管人們已經做了各種各樣的努力，來將 CNF 的這些納米級性能擴展到宏觀水平，但迄今為止，只有宏觀的纖維和薄膜可以通過不同的策略來製備。例如，宏觀纖維是從木材 CNF 中獲得的，其楊氏模量為 86 GPa，抗拉強度為 1.57 GPa，超過了任何已知的天然或合成生物聚合物。此外，研究人員也設計出了強度高、透明度高、熱膨脹係數低的 CNF 薄膜，並將其用於電子器件、柔性顯示等領域。然而，在將 CNF 這種材料的納米級性能擴展到立體塊狀結構材料方面仍然存在挑戰。如果能夠構建出一種可持續的高性能立體結構材料，必將推動 CNF 的發展，拓寬其應用領域，為工程設計提供更多的材料選擇。
自人類誕生之初，材料就成為社會發展的基礎。在各種材料中，金屬、陶瓷和聚合物等結構材料使用最廣泛。該 CNFP 具有較高的比強度，比鋼高 4 倍，比傳統塑料及鋁合金高。此外，CNFP 的比衝擊韌性高於鋁合金，密度僅為鋁合金的一半。
圖｜CNFP 的製備過程和結構分析。A. 通過生物合成作用生產 CNF 水凝膠；B. 水凝膠及其三維納米纖維網絡結構；C. 在 80 攝氏度溫度下通過壓縮多層 CNF 水凝膠製備 CNFP；D. CNFP 樣品示意圖；E. CNFP 的多層結構；F. CNFP 單層結構的納米纖維網絡；G. CNFP 中纖維素分子鏈通過氫鍵緊密結合；H. CNFP 樣品；I. 經加工後的零件。（來源：Science Advances）
圖｜CNFP 與聚合物、金屬和陶瓷等多種材料的熱膨脹係數和比強度、比衝擊韌性對比，CNFP 優於聚合物、金屬和陶瓷。A. 熱膨脹係數和比強度圖；B. 熱膨脹係數和比衝擊韌性圖。（來源：Science Advances）
與塑料或其他聚合物基材料不同，CNFP 具有極好的耐極端溫度和熱衝擊的性能。從 -120°C 到 150°C，CNFP 的熱膨脹係數低於 5 ppm/K，這接近於陶瓷材料，遠低於典型的聚合物和金屬。此外，在 120°C 的受熱和 -196°C 的液氮之間連續進行 10 次快速熱衝擊後，CNFP 仍能保持其強度。結果表明，該材料具有良好的耐熱尺寸穩定性，在極端溫度和冷熱交替的條件下，具有作為結構材料的巨大潛力。
CNFP 不僅具有出色的性能，由於其原材料獲取範圍廣，且採用生物輔助合成工藝，其成本也非常低，每公斤成本僅為 0.5 美元，低於大多數塑料。由於密度低、強度和韌性突出、耐熱尺寸穩定性好，CNFP 的所有這些性能都超過了傳統的金屬、陶瓷和聚合物，使其成為工程需求的高性能和環保替代方案，將在輕量化抗衝擊防護及緩衝材料、空間材料、精密儀器結構件等應用領域具有廣闊的應用前景，尤其適用於航空航天領域。
論文指出，CNFP 不僅有能力取代塑料，使我們免於被塑料 「淹沒」 的危機，其作為下一代可持續、輕量化的結構材料也具有巨大的潛力。基於這種生物基和可生物降解的材料，可持續和高性能結構材料的構建將極大地加快塑料替代。
也許在未來某一天，「白色汙染」 問題將會徹底消失。