中国科学家研制新型仿生纳米复合纤维材料既强又韧

观察者网31日从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏教授研究团队借鉴天然生物纤维的策略，成功研制了一种既强又韧的宏观尺度纤维素基纳米复合纤维材料。相关成果日前在线发表于《国家科学评论》。

据介绍，基于生物质来源的高性能纳米复合材料正逐渐发展成为未来结构和功能应用的理想材料。由植物组织分离或细菌发酵得到的纳米尺度纤维素，可以说是地球上储量最丰富的纳米级原材料，其密度低、热稳定性好、力学性能出色，同时可降解、可再生、可持续，因而受到诸多关注。

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。

研究人员希望利用其研制出宏观尺度的高性能纤维素基纤维材料。然而，所制纤维素基宏观纤维材料的强度和韧性之间的矛盾尚未得到解决。高强度的获得往往以牺牲其断裂延伸率和韧性为代价，于是低韧性、易脆断等问题严重限制了此类材料在先进织物等领域中的实际应用。

反观自然界，许多植物纤维和动物纤维都实现了高强度和高韧性的完美组合。它们具有一些共性：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。

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。单纯海藻酸钠宏观纤维的拉伸强度为190 MPa，而所得纳米复合纤维的拉伸强度提高至420 MPa。

随后，他们通过多级螺旋缠绕结构设计，得到了具有类似生物纤维结构特征的宏观人工纤维材料，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535 MPa、16%和45 MJ m-3。

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著提升。

该成果所获得的最高拉伸强度可以和高性能纤维素基天然植物纤维相媲美，这种仿生纤维结构设计策略有望应用在其他复杂等级结构材料的设计和制备中。