盡管塑料已經(jīng)為人類社會服役了超過一個世紀的時間，然而無處不在的塑料也成為了“白色污染”的根源，殘留在土壤里的微塑料顆粒甚至可以被小麥與生菜吸收。因而這些塑料制品成為了當今環(huán)保的頭號難題之一。
為了解決上述問題，科學家們已經(jīng)在可降解、可回收的高分子制品上付出了相當大的努力。然而大多數(shù)解決方案都無法生產(chǎn)出同時具有高強度、高韌性并且透明的薄膜，并且沒有實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。但是此類材料有望在柔性器件、商品包裝等多個領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的塑料制品，因而如何克服傳統(tǒng)可降解材料在高強度和高韌性方面的力學不兼容性，并進一步實現(xiàn)高透明度和大規(guī)模生產(chǎn)就成為了研究的熱點之一。
近日，中國科學技術(shù)大學俞書宏院士團隊在這一領(lǐng)域又做出了突破性成果。通過具有大規(guī)模生產(chǎn)潛力的氣溶膠輔助生物合成方法，20×40 cm2珍珠母仿生結(jié)構(gòu)的納米粘土/細菌纖維素納米復(fù)合材料被制備出來。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(shù)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）、低熱膨脹系數(shù)（~3 ppm/K）、超薄（~20 μm）的特性使其在柔性器件及光管理材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。上述成果以“Ultra-Strong, Ultra-Tough, Transparent, and Sustainable Nanocomposite Films for Plastic Substitute”為題發(fā)表于《Matter》。
1. 制備方法
構(gòu)成復(fù)合材料的核心是能大量產(chǎn)生細菌纖維素的Gluconacetobacter xylinus細菌和無菌皂石（納米粘土）。首先細菌被接種在培養(yǎng)基上，在28 oC下生長一天后，將無菌皂石和營養(yǎng)液混合，通過氣溶膠噴涂在細菌層表面，并讓其繼續(xù)生長7天。之后將上述水凝膠揭下，并用氫氧化鈉溶液和去離子水清洗，然后100 MPa和120 oC條件下熱壓成型，得到類似于珍珠母的“磚塊-纖維”混合結(jié)構(gòu)。
2. 微納結(jié)構(gòu)及力學、光學性能
通過上述方法制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學和光學性能。相比于純細菌纖維素制備的薄膜，添加了納米粘土的復(fù)合材料薄膜的透光性提高了50%（圖3A）。當納米粘土的添加量為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）。
上述性能提升的首要原因在于納米粘土的添加對細菌纖維素束的“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(jié)構(gòu)有助于在滑動過程中在不同組分間形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，進一步增強了材料韌性。
3. 在柔性器件中的應(yīng)用
與柔性器件領(lǐng)域中常見的基底，如PET對比，納米粘土/細菌纖維素復(fù)合材料薄膜的力學性能、使用溫度、熱膨脹系數(shù)均具有較大優(yōu)勢（圖4A、B），并且復(fù)合材料還具有良好的可降解性（圖5），因而十分適合與導(dǎo)電材料相結(jié)合制備瞬態(tài)柔性電子器件（圖4F）。
4. 總結(jié)
通過添加納米粘土，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、低熱膨脹系數(shù)的優(yōu)異特性。同時，氣溶膠輔助的制備工藝也被證明具有大規(guī)?；a(chǎn)的潛力。如果在未來，我們能進一步縮短細菌纖維素網(wǎng)絡(luò)的生長時間，并進一步調(diào)控材料的透明度和霧度，這種由生物自發(fā)“合成”的復(fù)合材料將非常有希望作為塑料薄膜的替代品，減少我們身邊的“白色污染”。
