塑料制品给现代生活带来极大便利的同时，也正造成严重的环境问题。大多数塑料来自于石油产品，由于其极端的稳定性，废弃后在环境中长时间也难以降解，最终造成持续性的环境污染问题。研发一系列可持续的高性能结构材料，以部分替代石油基塑料，是该问题最有希望的解决方案之一。现有的生物基可持续结构材料都受到机械性能较差或制造过程的过于繁琐的限制，这些因素从成本和生产规模上制约了这类材料的应用。因此，引入先进的仿生结构设计来制造新型的可持续高性能结构材料将可以极大地提高这类材料的性能，拓宽其应用范围，加速可持续材料替代不可降解塑料的进程。
近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队将仿生结构设计理念运用于高性能生物基结构材料的研制，发展了一种被称为“定向变形组装”的新型材料制造方法，实现了具有仿生结构的高性能可持续材料的规模化制备（图一）。通过这种定向变形组装方法，团队成功地将纤维素纳米纤维（CNF）和二氧化钛包覆的云母片（TiO2-Mica）复合制备了具有仿生结构的高性能可持续结构材料。所获得的结构材料具有比石油基塑料更好的机械和热性能，有望成为石油基塑料的替代品。该工艺过程宜于放大，产品具有良好的可加工性和丰富多变的色彩和光泽，使其可以作为一种更加美观和耐用的结构材料有望替代塑料（图二）。相关研究成果于11月3日以“An all-natural bioinspired structural material for plastic replacement”为题发表在Nature Communications上。
图 1.仿生可持续结构材料的制备与表征。a，定向变形组装法制备仿生可持续结构材料的示意图。b，天然贝壳。c，天然贝壳珍珠母层的砖泥结构。d，仿生可持续结构材料。e，仿生可持续结构材料内部的人造砖泥结构。
该材料具有仿珍珠母的结构设计，这种仿生设计有效地改善了材料的力学性能。珍珠母所具有的砖-泥结构，使其可以基于普通的天然物质构筑高性能的材料，并兼具高强度和高韧性的优良特性。研究人员通过多尺度的仿生结构设计和表面化学调控，成功构筑了这种兼具高强韧特点的天然生物基可持续结构材料。二氧化钛包覆的云母片作为仿生结构中的砖块，一方面为结构材料提供了远高于工程塑料的强度，另一方面，还通过裂纹偏转等仿生结构原理，大幅提高了材料的韧性和抗裂纹扩展性能，为该材料作为一种新兴的可持续材料替代现有的不可降解塑料打下了坚实的基础。
图 2. 仿生可持续结构材料与聚合物材料的力学与热学性能比较。a，仿生可持续结构材料与传统聚合物的强度模量比较图。 b，仿生可持续结构材料与传统聚合物的热膨胀系数和热导率比较图。c，大尺寸仿生可持续结构材料（310 × 300 × 18 mm3）。d，具有不同颜色的的仿生可持续结构材料，比例尺：2 cm。e，基于仿生可持续结构材料制造的智能手机背板。
此外，结构材料的热性能，尤其是在使用条件下的高温或多变温度下的应用至关重要。由于不良的热性能（例如不良的热稳定性和高温下的软化），塑料的应用受到了限制。然而，纯天然的仿生结构材料具有超过工程塑料的热性能，这可以归因于CNF的高结晶度，TiO2-Mica的良好热稳定性以及表面化学改性的带来的强相互作用，使其成为塑料的高性能替代品。这种可持续结构材料在-130℃至150℃的温度范围内，尺寸几乎没有变化，与塑料的剧烈收缩和膨胀形成鲜明对比。在室温下，该材料热膨胀系数（CTE）约为7×10-6 K-1，仅为大多数塑料的十分之一（图二）。在实际应用中，材料的热胀冷缩会导致热应力，该应力通常会导致结构故障，因此，低热膨胀系数是在使用条件下在可变温度下长期使用结构材料的重要保障。
这种全天然结构材料的机械性能在温度变化时也几乎保持不变。它的储能模量可以保持在20 GPa左右，并且在25℃至200℃的温度范围内几乎保持稳定，这比塑料的储能模量更高且更稳定。此外，它的热扩散系数也高于大多数工程塑料，因此有利于散热，从而进一步确保了实际应用的可靠性。作为一种新兴的结构材料，这种全天然仿生结构材料比塑料更安全，更可靠，从而使其在高温或可变温度下能够替代塑料而成为一种可持续，轻便，高性能的塑料替代品。
该工作得到了国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、国家重大科学研究计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、合肥大科学中心卓越用户基金等资助。三维重构表征于中国科学技术大学微纳研究与制造中心完成。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19174-1
（合肥微尺度物质科学国家研究中心，化学与材料科学学院，科研部）