中科大研發(fā)新型仿生納米復(fù)合纖維材料

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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《國家科學(xué)評(píng)論》。

納米尺度纖維素是地球上儲(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)具備可降解、可再生和可持續(xù)性，因而受到諸多關(guān)注。然而，人工制備的纖維素基宏觀纖維材料的強(qiáng)度和韌性之間的矛盾難以解決，低韌性、易脆斷等問題嚴(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、斷裂延伸率可分別達(dá)到535 MPa、16%。

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。