基于(yu)生物(wu)質來源的(de)高性能(neng)納米復合材(cai)料(liao)(liao)正(zheng)逐漸發展成為(wei)未來結構(gou)和(he)功能(neng)應(ying)用的(de)理(li)想材(cai)料(liao)(liao)。由(you)植物(wu)組織(zhi)分離或細菌發酵(jiao)得到的(de)納米尺度(du)纖維(wei)素，可(ke)(ke)以(yi)說是地球上儲(chu)量最豐富的(de)納米級原(yuan)材(cai)料(liao)(liao)，其(qi)(qi)密度(du)低(di)、熱穩定(ding)性好(hao)、力(li)學性能(neng)出色，同(tong)時可(ke)(ke)降解、可(ke)(ke)再(zai)生、可(ke)(ke)持續，因(yin)而受(shou)到諸多關注。研究人員希望利用其(qi)(qi)研制出宏觀尺度(du)的(de)高性能(neng)纖維(wei)素基纖維(wei)材(cai)料(liao)(liao)。然(ran)而，所制纖維(wei)素基宏觀纖維(wei)材(cai)料(liao)(liao)的(de)強度(du)和(he)韌(ren)(ren)性之間的(de)矛盾(dun)尚未得到解決。高強度(du)的(de)獲得往往以(yi)犧牲(sheng)其(qi)(qi)斷裂延伸率和(he)韌(ren)(ren)性為(wei)代(dai)價，于(yu)是低(di)韌(ren)(ren)性、易脆斷等問題(ti)嚴重(zhong)限制了此(ci)類(lei)材(cai)料(liao)(liao)在先進織(zhi)物(wu)等領(ling)域中的(de)實際應(ying)用。

反觀(guan)自然(ran)界，許多植物(wu)(wu)纖(xian)維(wei)（如麻纖(xian)維(wei)、棉纖(xian)維(wei)等(deng)）和動物(wu)(wu)纖(xian)維(wei)（如毛發、蠶絲(si)等(deng)）都有效規(gui)避了強、韌(ren)(ren)之(zhi)間的(de)(de)矛盾(dun)，實現了高強度(du)(du)和高韌(ren)(ren)性(xing)的(de)(de)完美(mei)組合(he)。研(yan)究揭示(shi)，這些(xie)典(dian)型的(de)(de)生物(wu)(wu)結構材料具有一些(xie)共(gong)性(xing)：它們都是天然(ran)的(de)(de)納米(mi)復合(he)材料，由高度(du)(du)取向的(de)(de)高強度(du)(du)納米(mi)纖(xian)維(wei)單元包裹在較(jiao)柔軟的(de)(de)有機物(wu)(wu)基質中構成，并具有高度(du)(du)有序(xu)的(de)(de)多級螺(luo)旋(xuan)纏繞結構。

近日，中國(guo)科學(xue)(xue)技(ji)術大學(xue)(xue)俞書(shu)宏教授(shou)研究(jiu)團隊借(jie)鑒(jian)天(tian)然生(sheng)物纖維的策略，成功(gong)研制了一(yi)種既強(qiang)又韌的宏觀尺度纖維素基納米復合纖維材料。相關成果以“Bioinspired hierarchical helical nanocomposite macrofibers based on bacterial cellulose nanofibers”為(wei)題在線發表于《國(guo)家科學(xue)(xue)評(ping)論》（National Science Review 2019, DOI: 10.1093/nsr/nwz077），第一(yi)作者為(wei)高(gao)懷嶺副研究(jiu)員和碩士生(sheng)趙然。

圖1. （a） 仿生宏(hong)觀(guan)纖(xian)維(wei)材料的(de)制備流(liu)程圖；（b,c） 經溶液紡(fang)絲得到的(de)濕態(tai)(tai)宏(hong)觀(guan)納(na)米(mi)復合(he)纖(xian)維(wei)單(dan)絲；（d） 經多級螺旋(xuan)纏繞得到的(de)螺旋(xuan)結構濕態(tai)(tai)宏(hong)觀(guan)納(na)米(mi)復合(he)纖(xian)維(wei)。

研究人員以(yi)高強(qiang)(qiang)度(du)(du)細菌(jun)納(na)米(mi)纖維(wei)(wei)素作為(wei)增強(qiang)(qiang)基元，以(yi)海藻酸鈉生(sheng)物大分(fen)子作為(wei)有(you)機物基質，將兩者的復合(he)(he)水溶(rong)(rong)液(ye)進(jin)行溶(rong)(rong)液(ye)紡絲，得到拉伸(shen)(shen)強(qiang)(qiang)度(du)(du)初步提(ti)(ti)升的單取向(xiang)結(jie)構宏(hong)觀(guan)納(na)米(mi)復合(he)(he)纖維(wei)(wei)（圖1a-c）。單純海藻酸鈉宏(hong)觀(guan)纖維(wei)(wei)的拉伸(shen)(shen)強(qiang)(qiang)度(du)(du)為(wei)190 MPa，而所得納(na)米(mi)復合(he)(he)纖維(wei)(wei)的拉伸(shen)(shen)強(qiang)(qiang)度(du)(du)提(ti)(ti)高至(zhi)420 MPa。隨后(hou)，他們通過多級螺旋纏(chan)繞(rao)結(jie)構設計，得到了具有(you)類似生(sheng)物纖維(wei)(wei)結(jie)構特征的宏(hong)觀(guan)人工纖維(wei)(wei)材料（圖1d，圖2a-c），其拉伸(shen)(shen)強(qiang)(qiang)度(du)(du)繼(ji)續(xu)提(ti)(ti)升25%，斷裂延伸(shen)(shen)率和(he)韌性則分(fen)別同步提(ti)(ti)升近(jin)50%和(he)100%，最(zui)終拉伸(shen)(shen)強(qiang)(qiang)度(du)(du)、斷裂延伸(shen)(shen)率和(he)韌性分(fen)別可達535 MPa、16%和(he)45 MJ m-3（圖2d-f）。

圖(tu)2. （a-c） 仿(fang)生(sheng)(sheng)宏觀(guan)纖(xian)(xian)(xian)維(wei)材料(liao)(liao)的(de)形貌結構表征(zheng)，可見細菌納米纖(xian)(xian)(xian)維(wei)素被海藻酸鈉基質均(jun)勻(yun)包(bao)裹，且纖(xian)(xian)(xian)維(wei)整體呈現出類似天然(ran)生(sheng)(sheng)物纖(xian)(xian)(xian)維(wei)的(de)多級螺旋纏繞結構；（d-f） 仿(fang)生(sheng)(sheng)宏觀(guan)纖(xian)(xian)(xian)維(wei)材料(liao)(liao)的(de)拉(la)伸力學性能(neng)表征(zheng)，可見通過仿(fang)生(sheng)(sheng)設計使(shi)其拉(la)伸強度、斷裂(lie)延伸率和韌性均(jun)得(de)到顯(xian)著提升。

該研(yan)究有效解決了人工材料中強度和(he)韌(ren)性之間難以(yi)調和(he)的(de)(de)矛盾，所獲得的(de)(de)最(zui)高拉伸強度可以(yi)和(he)高性能(neng)纖維(wei)素基天然(ran)植(zhi)物(wu)(wu)纖維(wei)相媲美，可達到(dao)的(de)(de)最(zui)高斷裂延伸率超過了幾乎所有纖維(wei)素基天然(ran)植(zhi)物(wu)(wu)纖維(wei)和(he)人工合(he)成(cheng)的(de)(de)纖維(wei)素基宏觀纖維(wei)材料，再加上(shang)其突出的(de)(de)韌(ren)性。這種仿生纖維(wei)結(jie)構設(she)計策(ce)略有望應用(yong)于其他(ta)復雜等級結(jie)構材料的(de)(de)設(she)計和(he)制(zhi)備。（合(he)肥微尺度物(wu)(wu)質科(ke)學(xue)國家研(yan)究中心(xin)、化(hua)學(xue)與(yu)材料科(ke)學(xue)學(xue)院(yuan)、科(ke)研(yan)部）文(wen)章鏈接：