塑料制品給現代生活帶來極大便利的同時，也正造成嚴重的環境問題。大多數塑料來自于石油產品，由于其極端的穩定性，廢棄后在環境中長時間也難以降解，最終造成持續性的環境污染問題。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。現有的生物基可持續結構材料都受到機械性能較差或制造過程的過于繁瑣的限制，這些因素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制造新型的可持續高性能結構材料將可以極大地提高這類材料的性能，拓寬其應用范圍，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于高性能生物基結構材料的研制，發展了一種被稱為“定向變形組裝”的新型材料制造方法，實現了具有仿生結構的高性能可持續材料的規模化制備（圖一）。通過這種定向變形組裝方法，團隊成功地將纖維素納米纖維（CNF）和二氧化鈦包覆的云母片（TiO2-Mica）復合制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。該工藝過程宜于放大，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（圖二）。相關研究成果于11月3日以“An all-natural bioinspired structural material for plastic replacement”為題發表在Nature Communications上。
圖 1.仿生可持續結構材料的制備與表征。a，定向變形組裝法制備仿生可持續結構材料的示意圖。b，天然貝殼。c，天然貝殼珍珠母層的磚泥結構。d，仿生可持續結構材料。e，仿生可持續結構材料內部的人造磚泥結構。
該材料具有仿珍珠母的結構設計，這種仿生設計有效地改善了材料的力學性能。珍珠母所具有的磚-泥結構，使其可以基于普通的天然物質構筑高性能的材料，并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，成功構筑了這種兼具高強韌特點的天然生物基可持續結構材料。二氧化鈦包覆的云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于工程塑料的強度，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的可持續材料替代現有的不可降解塑料打下了堅實的基礎。
圖 2. 仿生可持續結構材料與聚合物材料的力學與熱學性能比較。a，仿生可持續結構材料與傳統聚合物的強度模量比較圖。 b，仿生可持續結構材料與傳統聚合物的熱膨脹系數和熱導率比較圖。c，大尺寸仿生可持續結構材料（310 × 300 × 18 mm3）。d，具有不同顏色的的仿生可持續結構材料，比例尺：2 cm。e，基于仿生可持續結構材料制造的智能手機背板。
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。由于不良的熱性能（例如不良的熱穩定性和高溫下的軟化），塑料的應用受到了限制。然而，純天然的仿生結構材料具有超過工程塑料的熱性能，這可以歸因于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，使其成為塑料的高性能替代品。這種可持續結構材料在-130℃至150℃的溫度范圍內，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。在室溫下，該材料熱膨脹系數（CTE）約為7×10-6 K-1，僅為大多數塑料的十分之一（圖二）。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，低熱膨脹系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。
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20 GPa左右，并且在25℃至200℃的溫度范圍內幾乎保持穩定，這比塑料的儲能模量更高且更穩定。此外，它的熱擴散系數也高于大多數工程塑料，因此有利于散熱，從而進一步確保了實際應用的可靠性。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，從而使其在高溫或可變溫度下能夠替代塑料而成為一種可持續，輕便，高性能的塑料替代品。
該工作得到了國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、國家重大科學研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創新中心、合肥大科學中心卓越用戶基金等資助。三維重構表征于中國科學技術大學微納研究與制造中心完成。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19174-1
