尽管塑料已经为人类社会服役了超过一个世纪的时间，然而无处不在的塑料也成为了“白色污染”的根源，残留在土壤里的微塑料颗粒甚至可以被小麦与生菜吸收。因而这些塑料制品成为了当今环保的头号难题之一。
为了解决上述问题，科学家们已经在可降解、可回收的高分子制品上付出了相当大的努力。然而大多数解决方案都无法生产出同时具有高强度、高韧性并且透明的薄膜，并且没有实现规模化生产。但是此类材料有望在柔性器件、商品包装等多个领域替代传统的塑料制品，因而如何克服传统可降解材料在高强度和高韧性方面的力学不兼容性，并进一步实现高透明度和大规模生产就成为了研究的热点之一。
近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队在这一领域又做出了突破性成果。通过具有大规模生产潜力的气溶胶辅助生物合成方法，20×40 cm2珍珠母仿生结构的纳米粘土/细菌纤维素纳米复合材料被制备出来。这一材料的拉伸强度达到了482 MPa，韧性达到了17.71 MJ/m3，超过了目前绝大多数珍珠母仿生材料。此外，高透明性（83.4%在550 nm）、高雾度（88.8%在550 nm）、低热膨胀系数（~3 ppm/K）、超薄（~20 μm）的特性使其在柔性器件及光管理材料领域具有广阔的应用前景。上述成果以“Ultra-Strong, Ultra-Tough, Transparent, and Sustainable Nanocomposite Films for Plastic Substitute”为题发表于《Matter》。
1. 制备方法
图 1 用于制备复合材料薄膜的气溶胶辅助生物合成方法
构成复合材料的核心是能大量产生细菌纤维素的Gluconacetobacter xylinus细菌和无菌皂石（纳米粘土）。首先细菌被接种在培养基上，在28oC下生长一天后，将无菌皂石和营养液混合，通过气溶胶喷涂在细菌层表面，并让其继续生长7天。之后将上述水凝胶揭下，并用氢氧化钠溶液和去离子水清洗，然后100 MPa和120 oC条件下热压成型，得到类似于珍珠母的“砖块-纤维”混合结构。
2. 微纳结构及力学、光学性能
图 2 复合材料外观及水凝胶和成型后的微纳结构
图 3 复合材料光学、力学性能及其增强机理
通过上述方法制备的复合材料具有优异的力学和光学性能。相比于纯细菌纤维素制备的薄膜，添加了纳米粘土的复合材料薄膜的透光性提高了50%（图3A）。当纳米粘土的添加量为27 wt%时，其拉伸强度、断裂伸长率和韧性分别达到了纯细菌纤维素薄膜的1.6、1.7和2.9倍（图3B-D）。
上述性能提升的首要原因在于纳米粘土的添加对细菌纤维素束的“解绑”作用（图3E、F）。细菌纤维素束的宽度从106 nm下降至26 nm，使得薄膜的缺陷尺寸大大降低，提高了薄膜透光性和强度；同时纤维束的分离还能进一步提高氢键密度，增强材料韧性。此外，“砖块-纤维”结构有助于在滑动过程中在不同组分间形成氢键网络，进一步增强了材料韧性。
3. 在柔性器件中的应用
图 4 纳米粘土/细菌纤维素复合材料与常见塑料的性能对比和在柔性器件中的应用
图 5 纳米粘土-细菌纤维素复合材料的土壤降解实验（2个月）
与柔性器件领域中常见的基底，如PET对比，纳米粘土/细菌纤维素复合材料薄膜的力学性能、使用温度、热膨胀系数均具有较大优势（图4A、B），并且复合材料还具有良好的可降解性（图5），因而十分适合与导电材料相结合制备瞬态柔性电子器件（图4F）。
4. 总结
通过添加纳米粘土，细菌纤维素材料在不使用粘合剂的情况下，便同时具有了超强、超韧、透明、低热膨胀系数的优异特性。同时，气溶胶辅助的制备工艺也被证明具有大规模化生产的潜力。如果在未来，我们能进一步缩短细菌纤维素网络的生长时间，并进一步调控材料的透明度和雾度，这种由生物自发“合成”的复合材料将非常有希望作为塑料薄膜的替代品，减少我们身边的“白色污染”。
来源：高分子科学前沿
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