俞書宏院士團隊：超強、超韌、透明的環保複合材料薄膜！有望解決“白色汙染”

儘管塑膠已經為人類社會服役了超過一個世紀的時間，然而無處不在的塑膠也成為了“白色汙染”的根源，殘留在土壤裡的微塑膠顆粒甚至可以被小麥與生菜吸收。因而這些塑膠製品成為了當今環保的頭號難題之一。

為了解決上述問題，科學家們已經在可降解、可回收的高分子製品上付出了相當大的努力。然而大多數解決方案都無法生產出同時具有高強度、高韌性並且透明的薄膜，並且沒有實現規模化生產。但是此類材料有望在柔性器件、商品包裝等多個領域替代傳統的塑膠製品，因而如何克服傳統可降解材料在高強度和高韌性方面的力學不相容性，並進一步實現高透明度和大規模生產就成為了研究的熱點之一。

近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊在這一領域又做出了突破性成果。透過具有大規模生產潛力的氣溶膠輔助生物合成方法，20×40 cm2珍珠母仿生結構的奈米粘土/細菌纖維素奈米複合材料被製備出來。這一材料的拉伸強度達到了482 MPa，韌性達到了17.71 MJ/m3，超過了目前絕大多數珍珠母仿生材料。此外，高透明性（83.4%在550 nm）、高霧度（88.8%在550 nm）、低熱膨脹係數（~3 ppm/K）、超薄（~20 μm）的特性使其在柔性器件及光管理材料領域具有廣闊的應用前景。上述成果以“Ultra-Strong, Ultra-Tough, Transparent, and Sustainable Nanocomposite Films for Plastic Substitute”為題發表於《Matter》。

1. 製備方法

圖 1 用於製備複合材料薄膜的氣溶膠輔助生物合成方法

構成複合材料的核心是能大量產生細菌纖維素的Gluconacetobacter xylinus細菌和無菌皂石（奈米粘土）。首先細菌被接種在培養基上，在28oC下生長一天後，將無菌皂石和營養液混合，透過氣溶膠噴塗在細菌層表面，並讓其繼續生長7天。之後將上述水凝膠揭下，並用氫氧化鈉溶液和去離子水清洗，然後100 MPa和120 oC條件下熱壓成型，得到類似於珍珠母的“磚塊-纖維”混合結構。

2. 微納結構及力學、光學效能

圖 2 複合材料外觀及水凝膠和成型後的微納結構

圖 3 複合材料光學、力學效能及其增強機理

透過上述方法制備的複合材料具有優異的力學和光學效能。相比於純細菌纖維素製備的薄膜，添加了奈米粘土的複合材料薄膜的透光性提高了50%（圖3A）。當奈米粘土的新增量為27 wt%時，其拉伸強度、斷裂伸長率和韌性分別達到了純細菌纖維素薄膜的1.6、1.7和2.9倍（圖3B-D）。

上述效能提升的首要原因在於奈米粘土的新增對細菌纖維素束的“解綁”作用（圖3E、F）。細菌纖維素束的寬度從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強度；同時纖維束的分離還能進一步提高氫鍵密度，增強材料韌性。此外，“磚塊-纖維”結構有助於在滑動過程中在不同組分間形成氫鍵網路，進一步增強了材料韌性。

3. 在柔性器件中的應用

圖 4 奈米粘土/細菌纖維素複合材料與常見塑膠的效能對比和在柔性器件中的應用

圖 5 奈米粘土-細菌纖維素複合材料的土壤降解實驗（2個月）

與柔性器件領域中常見的基底，如PET對比，奈米粘土/細菌纖維素複合材料薄膜的力學效能、使用溫度、熱膨脹係數均具有較大優勢（圖4A、B），並且複合材料還具有良好的可降解性（圖5），因而十分適合與導電材料相結合製備瞬態柔性電子器件（圖4F）。

4. 總結

透過新增奈米粘土，細菌纖維素材料在不使用粘合劑的情況下，便同時具有了超強、超韌、透明、低熱膨脹係數的優異特性。同時，氣溶膠輔助的製備工藝也被證明具有大規模化生產的潛力。如果在未來，我們能進一步縮短細菌纖維素網路的生長時間，並進一步調控材料的透明度和霧度，這種由生物自發“合成”的複合材料將非常有希望作為塑膠薄膜的替代品，減少我們身邊的“白色汙染”。

來源：高分子科學前沿

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