塑料制品給現(xiàn)代生活帶來(lái)極大便利的同時(shí)，也正造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。大多數(shù)塑料來(lái)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(wèn)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(wèn)題最有希望的解決方案之一�，F(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(guò)程的過(guò)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(lái)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。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)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)�；�制備（圖一）。通過(guò)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（CNF）和二氧化鈦包覆的云母片（TiO2-Mica）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(guò)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（圖二）。相關(guān)研究成果于11月3日以“An all-natural bioinspired structural material for plastic replacement”為題發(fā)表在NatureCommunications上。 )P4#P2  
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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(guò)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(guò)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)。 0=Jf93D5  
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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(guò)工程塑料的熱性能，這可以歸因于CNF的高結(jié)晶度，TiO2-Mica的良好熱穩(wěn)定性以及表面化學(xué)改性的帶來(lái)的強(qiáng)相互作用，使其成為塑料的高性能替代品。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(méi)有變化，與塑料的劇烈收縮和膨脹形成鮮明對(duì)比。在室溫下，該材料熱膨脹系數(shù)（CTE）約為7×10-6K-1，僅為大多數(shù)塑料的十分之一（圖二）。在實(shí)際應(yīng)用中，材料的熱脹冷縮會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力，該應(yīng)力通常會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)故障，因此，低熱膨脹系數(shù)是在使用條件下在可變溫度下長(zhǎng)期使用結(jié)構(gòu)材料的重要保障。 +LddW0h+=8  
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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。它的儲(chǔ)能模量可以保持在20 GPa左右，并且在25℃至200℃的溫度范圍內(nèi)幾乎保持穩(wěn)定，這比塑料的儲(chǔ)能模量更高且更穩(wěn)定。此外，它的熱擴(kuò)散系數(shù)也高于大多數(shù)工程塑料，因此有利于散熱，從而進(jìn)一步確保了實(shí)際應(yīng)用的可靠性。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。 VesW7m*z  
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該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金等資助。三維重構(gòu)表征由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心完成。 63:0Vt>hZ^  
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論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19174-1