由贝壳引发的技术突破：中科大团队研发纯天然仿生结构材料，性能优于普通塑料

2020 年 11 月 4 日 学术头条

塑料，是我们生活中最常见的垃圾，在为我们生活提供极大便利的同时，也对我们赖以生存的生态环境造成了近乎毁灭性的危害。

如今，难以降解的塑料垃圾每年会造成数十万海洋动物死亡，随之产生的微塑料更是遍及全球各个角落，甚至会进入动物体内或其他环境中，严重威胁我们的生命健康。随着经济生活的快速发展，愈发严重的“白色污染”问题已经成为全球 78 亿人民亟需解决的共同难题。

近年来，为解决传统塑料制品污染严重、降解难、能源消耗大等问题，全世界范围内的科学家都开始转向研究以再生资源为原料制造生物塑料（一种以天然物质为基础在微生物作用下生成的环保、可再生塑料）。但是，目前市场上生物塑料的机械特性还难以达到传统塑料（石油基塑料）一样的水平，且成本高，难以实现规模化生产。

如何开发一种既节能、环保，又具规模化量产潜力的生物塑料？近日，来自中国科学技术大学的一项最新研究成果为实现这一目标提供了可能。

研究人员受贝壳珍珠层的多尺度结构的启发，制造出了一种新的高性能仿生结构材料。该材料易于加工，在力学和热学方面都表现出了比传统基塑料更好的性能，且可以根据不同材质的云母制造出颜色各异的全天然仿生结构材料，通过制造手机壳，证明了该制造工艺的可扩展性。

相关工作以 “An all-natural bioinspired structural material for plastic replacement” 为题，于 11 月4 日在线发表在最新一期的《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上。

（来源：Nature Communications）

高性能仿生结构设计

早在今年 8 月，中科大俞书宏院士团队受天然贝壳启发研制出一种复合薄膜材料，在强度、韧性、透光性等方面表现出远超于传统塑料的力学与光学性能，且在自然条件下可以完全生物降解。

在这项最新的研究中，研究人员利用纯天然原料纤维素纳米纤维（CNF）和云母微片（TiO2-云母）的特殊结构，仿造贝壳珍珠层的多层设计结构，实现了一种简单有效的 “定向变形组装”（directional deforming assembly）方法，制造出了高性能仿生结构材料。

纤维素纳米纤维是地球上大多数植物的结构支撑材料，是地球上最丰富的绿色资源之一，具有良好的机械性能和热性能，可以从植物中提取，也可以由细菌产生。纤维素纳米纤维具有低密度、低热膨胀系数、高强度、高刚度、易变形等优良性能，是构建宏观高性能材料的理想纳米级构件，它比凯芙拉（Kevlar）和钢具有更高的强度（2GPa）和模量（138GPa），并且与石英玻璃相比，它具有更低的热膨胀系数（0.1ppm/K）。

从天然云母上剥落的云母微片是全天然的二维（2D）无机构建基块，具有独特的美丽珠光色，而基于云母微片的 TiO2 涂层云母微片（TiO2-云母）是一种合适的二维无机建筑材料，可用于制造类似珍珠质的可持续结构材料。

研究人员正是利用纤维素纳米纤维和 TiO2-云母的结构特性，设计了一种高度有序的砖混结构，从而实现了高性能结构材料的制造。

图 | 全天然仿生结构材料的制造和表征图

研究人员表示，作为一种可持续发展的高性能结构材料，通过 “定向变形组装” 法可以实现全天然仿生结构材料的批量生产，使其成为塑料产业的有力竞争者。

强度与韧性兼顾

在工程材料设计领域面临的一个挑战是强度和韧性不可兼得的矛盾，而该研究通过砖混结构的多尺度设计，所制造的纯天然仿生结构材料可兼顾高强度和韧性。

研究人员统地研究了纯天然仿生结构材料的机械性能，发现经过表面化学改性和定向变形组装后，这种纯天然仿生结构材料展现出了高度的抗弯曲强度（281MPa）和高抗弯模量（20GPa）。

图 | 全天然仿生结构材料的机械性能

图 | 纯天然仿生结构材料与通用塑料在热性能方面的比较图

热稳定性远超传统塑料

该研究所制造的纯天然仿生结构材料表现出了极强的热稳定性，在 130℃-150℃ 的温度范围内几乎没有发生性能变化，而且在会让普通塑料变脆或软化的温度下，机械性能也能保持稳定。

研究人员表示，作为一种新兴的结构材料，这种纯天然仿生结构材料的强度和模量均比大多数塑料高出 2-5 倍，比塑料更安全、可靠，从而使其在高温或可变温度下能够替代塑料，成为可持续、轻便、高性能的塑料替代品。

图 | 纯天然仿生结构材料与典型聚合物的机械性能和热性能的比较

此外，根据不同云母材料，研究人员可以制造颜色各异的全天然仿生结构材料，由于其易加工的特性，该材料可以被加工成各种形状和尺寸，在实际应用中具有替代塑料的巨大潜力。

研究人员表示，这种纯天然仿生结构材料兼具轻、强、韧、硬的特点，在力学方面的优越性能，都足以保证其成为塑料的替代结构材料，他们通过制造手机壳证明了该制造工艺可以扩展。

论文指出，这种方法为高性能全天然材料的规模化生产提供了一条新的途径，开发这种工艺对于促进生物材料在工业生产和应用具有重要的意义。

参考资料：
Guan, Q., Yang, H., Han, Z. et al. An all-natural bioinspired structural material for plastic replacement. Nat Commun11, 5401 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19174-1