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安徽網(wǎng) 大皖客戶端訊 記者11月9日從中國(guó)科大獲悉，近日，該校俞書宏院士團(tuán)隊(duì)將仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念運(yùn)用于高性能生物基結(jié)構(gòu)材料的研制，發(fā)展了一種被稱為“定向變形組裝”的新型材料制造方法，實(shí)現(xiàn)了具有仿生結(jié)構(gòu)的高性能可持續(xù)材料的規(guī)模化制備。
通過這種定向變形組裝方法，團(tuán)隊(duì)成功地將纖維素納米纖維和二氧化鈦包覆的云母片復(fù)合制備了具有仿生結(jié)構(gòu)的高性能可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料。所獲得的結(jié)構(gòu)材料具有比石油基塑料更好的機(jī)械和熱性能，有望成為石油基塑料的替代品。該工藝過程宜于放大，產(chǎn)品具有良好的可加工性和豐富多變的色彩和光澤，使其可以作為一種更加美觀和耐用的結(jié)構(gòu)材料有望替代塑料。相關(guān)研究成果于11月3日以為題發(fā)表在《自然通訊》上。
塑料制品給現(xiàn)代生活帶來極大便利的同時(shí)，也正造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。大多數(shù)塑料來自于石油產(chǎn)品，由于其極端的穩(wěn)定性，廢棄后在環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間也難以降解，最終造成持續(xù)性的環(huán)境污染問題。研發(fā)一系列可持續(xù)的高性能結(jié)構(gòu)材料，以部分替代石油基塑料，是該問題最有希望的解決方案之一。現(xiàn)有的生物基可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料都受到機(jī)械性能較差或制造過程的過于繁瑣的限制，這些因素從成本和生產(chǎn)規(guī)模上制約了這類材料的應(yīng)用。因此，引入先進(jìn)的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來制造新型的可持續(xù)高性能結(jié)構(gòu)材料將可以極大地提高這類材料的性能，拓寬其應(yīng)用范圍，加速可持續(xù)材料替代不可降解塑料的進(jìn)程。
該材料具有仿珍珠母的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種仿生設(shè)計(jì)有效地改善了材料的力學(xué)性能。珍珠母所具有的磚-泥結(jié)構(gòu)，使其可以基于普通的天然物質(zhì)構(gòu)筑高性能的材料，并兼具高強(qiáng)度和高韌性的優(yōu)良特性。研究人員通過多尺度的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面化學(xué)調(diào)控，成功構(gòu)筑了這種兼具高強(qiáng)韌特點(diǎn)的天然生物基可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料。二氧化鈦包覆的云母片作為仿生結(jié)構(gòu)中的磚塊，一方面為結(jié)構(gòu)材料提供了遠(yuǎn)高于工程塑料的強(qiáng)度，另一方面，還通過裂紋偏轉(zhuǎn)等仿生結(jié)構(gòu)原理，大幅提高了材料的韌性和抗裂紋擴(kuò)展性能，為該材料作為一種新興的可持續(xù)材料替代現(xiàn)有的不可降解塑料打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
此外，結(jié)構(gòu)材料的熱性能，尤其是在使用條件下的高溫或多變溫度下的應(yīng)用至關(guān)重要。由于不良的熱性能（例如不良的熱穩(wěn)定性和高溫下的軟化），塑料的應(yīng)用受到了限制。然而，純天然的仿生結(jié)構(gòu)材料具有超過工程塑料的熱性能。這種可持續(xù)結(jié)構(gòu)材料在-130℃至150℃的溫度范圍內(nèi)，尺寸幾乎沒有變化，與塑料的劇烈收縮和膨脹形成鮮明對(duì)比。這種全天然結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能在溫度變化時(shí)也幾乎保持不變。作為一種新興的結(jié)構(gòu)材料，這種全天然仿生結(jié)構(gòu)材料比塑料更安全、更可靠，從而使其在高溫或可變溫度下能夠替代塑料而成為一種可持續(xù)、輕便、高性能的塑料替代品。
新安晚報(bào) 安徽網(wǎng) 大皖客戶端記者 陳牧
