在自然界中，许多植物纤维（如麻纤维、棉纤维等）和动物纤维（如毛发、蚕丝等）都有效规避了强、韧之间的矛盾，实现了高强度和高韧性的组合。已有研究表明，这些典型的生物结构材料具有一些共性：它们都是天然的纳米复合材料，由高度取向的高强度纳米纤维单元包裹在较柔软的有机物基质中构成，并具有高度有序的多级螺旋缠绕结构。近日，中国科学技术大学教授俞书宏团队借鉴天然生物纤维策略，研制出一种既强又韧的宏观尺度纤维素基纳米复合纤维材料。图1.(a)仿生宏观纤维材料的制备流程图；(b,c)经溶液纺丝得到的湿态宏观纳米复合纤维单丝；(d)经多级螺旋缠绕得到的螺旋结构湿态宏观纳米复合纤维
图2.(a-c)仿生宏观纤维材料的形貌结构表征，可见细菌纳米纤维素被海藻酸钠基质均匀包裹，且纤维整体呈现出类似天然生物纤维的多级螺旋缠绕结构；(d-f)仿生宏观纤维材料的拉伸力学性能表征，可见通过仿生设计使其拉伸强度、断裂延伸率和韧性均得到显着提升研究人员以高强度细菌纳米纤维素作为增强基元，以海藻酸钠生物大分子作为有机物基质，将两者的复合水溶液进行溶液纺丝，得到拉伸强度初步提升的单取向结构宏观纳米复合纤维（图1a-c）。单纯海藻酸钠宏观纤维的拉伸强度为190MPa，所得纳米复合纤维的拉伸强度提高至420MPa。通过多级螺旋缠绕结构设计，该研究得到了具有类似生物纤维结构特征的宏观人工纤维材料（图1d、图2a-c），其拉伸强度继续提升25%，断裂延伸率和韧性则分别同步提升近50%和100%，最终拉伸强度、断裂延伸率和韧性分别可达535MPa、16%和45MJ·m-3（图2d-f）。相关成果以Bioinspired hierarchical helical nanocomposite macrofibers based on bacterial cellulose nanofibers为题在线发表于《国家科学评论》（National Science Review）。论文第一作者为副研究员高怀岭、硕士研究生赵然。
来源 中国科学技术大学
论文链接
/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwz077/5521924
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