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世界上最强的生物材料优于钢铁和蜘蛛丝
2018-06-14
【据发展与研究网站2018年6月13日报道】在DESY的X射线光源PETRA III中,由瑞典研究人员领导的一个团队已经生产出了迄今为止最强的生物材料。人造但可生物降解的纤维素纤维比钢更强,甚至比通常被认为是最强的生物基材料的蜘蛛丝更强。斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的DanielSöderberg领导的团队已经将相关成果报道于美国化学学会ACS Nano杂志中。
用扫描电子显微镜观察纤维素纳米纤维制成的人造纤维素纤维。(图片来源:斯德哥尔摩KTH)
这种超强材料由纤维素纳米纤维(CNF)制成,这种纤维是木材和其他植物生命的基本组成部分。研究人员使用创新的生产方法成功地将这些纳米纤维的独特力学性能转化为宏观轻质材料,可用作飞机、汽车、家具和其他产品中塑料的环保替代品。此外,由于纤维素不会被人体排斥,这种新材料还可能具有生物医用的潜力。
为开发这种新材料,科学家们从市售的纤维素纳米纤维入手,其直径仅为2-5纳米,长度可达700纳米。将纳米纤维悬浮在水中,然后送入一个宽度仅为1毫米的小通道并用钢制磨具进行碾磨。通过额外的去离子水和低pH值的水两组入流从侧面垂直进入通道,将纳米纤维挤压浓缩到一起并加速这一过程。
这个过程称为流体力学聚焦,其目的是将理想方向上的纳米纤维及其自生组织组装成一个完全包裹的肉眼可见的超强纤维。在整个过程中,不需要胶水或任何其他任何组分,纳米纤维仅通过纳米纤维之间的超分子相互作用力,如静电力和范德华力,完美的装配连接在一起形成更加紧密的超强纤维。
利用来自PETRA III的X射线,科学家们可以跟踪和优化这一过程。X射线的应用,使得科研人员能够分析超强纤维形成的细节结构,以及超强纤维中的材料结构和层次顺序。制成的超强纤维厚度可达到15微米,长度可达数米。
测量结果显示,这种生物基纳米纤维素纤维的拉伸刚度为86吉帕(GPa),拉伸强度为1.57吉帕(GPa),其强度是天然拉索蜘蛛丝纤维8倍,比钢铁、其他金属或合金、玻璃纤维和大多数其他合成材料的强度都要更强。人造纤维素纤维可以编织成织物以扩大器应用范围。研究人员估计,这种新材料的生产成本可以与目前强力合成织物的生产成本相竞争。此外,这种超强纤维原则上还可用于制造可生物降解的零部件。
这项研究描述了一种模拟自然界将纤维素纳米纤维排列成近乎完美的宏观布局的新方法。它为开发可用于较大结构的纳米纤维材料开辟了道路,同时,该材料还保留了纳米纤维的拉伸强度和承受机械载荷的能力,将纳米材料的优异性能成功的移植到了宏观尺度级。研究人员表示,通过理解和控制完美纳米结构所必需的关键基本参数,如粒径、相互作用力、排列、扩散、网格成型和装配等,使得这一发现变为了可能。该工艺也可用于控制碳纳米管和其他纳米尺度纤维的装配。(中国航空工业发展研究中心 陈济桁)

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