基于生物質(zhì)來源的高性能納米復(fù)合材料正逐漸發(fā)展成為未來結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用的理想材料。由植物組織分離或細菌發(fā)酵得到的納米尺度纖維素，儲藏豐富、密度低、熱穩(wěn)定性好、力學(xué)性能出色，同時可降解、可再生、可持續(xù)，受到諸多關(guān)注。科學(xué)家希望利用其研制出宏觀尺度的高性能纖維素基纖維材料，但當(dāng)前所制纖維素基宏觀纖維材料的強度和韌性之間的矛盾尚未得到解決。高強度的獲得往往以犧牲其斷裂延伸率和韌性為代價，低韌性、易脆斷等問題嚴(yán)重限制此類材料在先進織物等領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。

　　在自然界中，許多植物纖維(如麻纖維、棉纖維等)和動物纖維(如毛發(fā)、蠶絲等)都有效規(guī)避了強、韌之間的矛盾，實現(xiàn)了高強度和高韌性的組合。已有研究表明，這些典型的生物結(jié)構(gòu)材料具有一些共性：它們都是天然的納米復(fù)合材料，由高度取向的高強度納米纖維單元包裹在較柔軟的有機物基質(zhì)中構(gòu)成，并具有高度有序的多級螺旋纏繞結(jié)構(gòu)。

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏團隊借鑒天然生物纖維策略，研制出一種既強又韌的宏觀尺度纖維素基納米復(fù)合纖維材料。

　　研究人員以高強度細菌納米纖維素作為增強基元，以海藻酸鈉生物大分子作為有機物基質(zhì)，將兩者的復(fù)合水溶液進行溶液紡絲，得到拉伸強度初步提升的單取向結(jié)構(gòu)宏觀納米復(fù)合纖維(圖1a-c)。單純海藻酸鈉宏觀纖維的拉伸強度為190MPa，所得納米復(fù)合纖維的拉伸強度提高至420MPa。通過多級螺旋纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計，該研究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(圖1d、圖2a-c)，其拉伸強度繼續(xù)提升25%，斷裂延伸率和韌性則分別同步提升近50%和100%，最終拉伸強度、斷裂延伸率和韌性分別可達535MPa、16%和45MJ·m-3(圖2d-f)。

　　該研究解決了人工材料中強度和韌性之間難以調(diào)和的矛盾，所獲得的最高拉伸強度可和高性能纖維素基天然植物纖維相媲美，可達到的最高斷裂延伸率超過了絕大多數(shù)纖維素基天然植物纖維和人工合成的纖維素基宏觀纖維材料，且具有突出的韌性。這種仿生纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計策略有望應(yīng)用于其他復(fù)雜等級結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計和制備。

　　相關(guān)成果以Bioinspired hierarchical helical nanocomposite macrofibers based on bacterial cellulose nanofibers為題在線發(fā)表于《國家科學(xué)評論》。論文第一作者為副研究員高懷嶺、碩士研究生趙然。

圖1.(a)仿生宏觀纖維材料的制備流程圖；(b,c)經(jīng)溶液紡絲得到的濕態(tài)宏觀納米復(fù)合纖維單絲；(d)經(jīng)多級螺旋纏繞得到的螺旋結(jié)構(gòu)濕態(tài)宏觀納米復(fù)合纖維

圖2.(a-c)仿生宏觀纖維材料的形貌結(jié)構(gòu)表征，可見細菌納米纖維素被海藻酸鈉基質(zhì)均勻包裹，且纖維整體呈現(xiàn)出類似天然生物纖維的多級螺旋纏繞結(jié)構(gòu)；(d-f)仿生宏觀纖維材料的拉伸力學(xué)性能表征，可見通過仿生設(shè)計使其拉伸強度、斷裂延伸率和韌性均得到顯著提升