新材料：對于生物合成的纖維素基絕緣納米紙的研究應用

　　隨著人類對南極洲、月球和火星等極端環境探索的深入，不斷出現的極端環境條件，包括強紫外線(UV)環境、原子氧(AO)和高低溫交替環境等，已經成為今后探索的主要障礙。在這些極端環境下，材料的物理化學特性會發生變化，嚴重時甚至會導致重要設備和裝置的損壞。在傳統材料當中，金屬和陶瓷本身具有出色的機械性能和對極端環境的耐受性，但金屬材料面臨密度過高、重量過大的問題，而陶瓷材料則面臨脆性和難以加工等問題。另一方面，雖然聚合物具有輕質和可塑的特點，但目前大多數聚合物基復合材料在極端環境長期服役會產生高溫軟化和低溫脆性等問題。因此，設計和制備一種能長期在極端環境下服役的高性能防護材料是材料領域面臨的難題之一。

　　近日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授俞書宏團隊報道了一種高性能纖維素基納米紙材料，其在極端條件下仍可保持優異的機械和電絕緣性能。該納米紙是通過該研究團隊早期發展的氣溶膠輔助生物合成(AABS)方法，利用細菌產出的纖維素納米纖維(BC)將分散在材料中的合成云母(S-Mica)均勻而緊密地纏結而獲得的。相關成果以Nacre-inspired bacterial cellulose/mica nanopaper with excellent mechanical and electrical insulating properties by biosynthesis為題發表在《先進材料》(Advanced Materials)上。

　　圖1 復合納米紙的的制備與結構。(a)生物合成復合納米紙的構造過程示意圖;(b)納米紙的數碼照片;(c)納米紙的仿珍珠母的“磚-泥”結構。

　　研究人員利用AABS策略用細菌纖維素將合成云母納米片均勻負載到復合水凝膠中，之后通過熱壓的方式得到最終的仿珍珠母結構的納米紙材料(圖1)。得益于納米紙的精細的“磚-泥”結構，所得到的納米紙表現出高強度(~375 MPa)、高模量(~14.9 GPa)、高韌性(~16.44 MJ m-3)、可折疊性和抗彎曲疲勞性等優異的力學性能。同時，材料內部的“磚-泥”結構充分發揮了云母的高介電強度，從而賦予了該納米紙較高的電擊穿強度(145.7 kV mm-1)。與純纖維素納米紙相比，該復合納米紙的耐電暈壽命顯著提高，甚至超過了商用聚酰亞胺(PI)薄膜。

　　圖2 納米紙的綜合性能。(a)納米紙的力學性能表征;(b-c)納米紙的綜合性能與文獻中絕緣材料的對比;(d)納米紙熱振前后的力學性能對比;(e)納米紙在液氮中彎曲照片;(f)納米紙的熱膨脹系數;(g)納米紙對原子氧的耐受性表征;(h-i)納米紙對紫外線的耐受性表征。

　　此外，該項研究報道的BC/S-Mica納米紙在高低溫交替、紫外線和原子氧AO等極端條件下仍表現出優異的綜合性能，這為未來對極端環境的探索提供了很好的防護材料選擇。

　　相關研究工作得到國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃項目、中國高校協同創新計劃和安徽省重點研發計劃項目等的支持。