我们的生活中，处处可见塑料。塑料制品在带来极大便利的同时，也正造成严重的环境问题。科学家表示，大多数塑料来自于石油产品，由于其极端的稳定性，废弃后在环境中长时间难以降解，最终造成持续性的环境污染。

科学家们一致认为，研发一系列可持续的高性能结构材料，以部分替代石油基塑料，是该问题最有希望的解决方案之一。然而，现有的生物基可持续结构材料，都受到机械性能较差或制造过程过于繁琐的限制，从成本和生产规模上制约了这类材料的应用。因此，引入先进的仿生结构设计来制造新型的可持续高性能结构材料，将能极大提高这类材料的性能，拓宽其应用范围，加速可持续材料替代不可降解塑料的进程。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队将仿生结构设计理念运用于高性能生物基结构材料的研制上，发展了一种被称为“定向变形组装”的新型材料制造方法，实现了具有仿生结构的高性能可持续材料的规模化制备。

通过这种定向变形组装方法，俞书宏团队成功地将纤维素纳米纤维（CNF）和二氧化钛包覆的云母片（TiO2-Mica）复合制备了具有仿生结构的高性能可持续结构材料，所获得的结构材料具有比石油基塑料更好的机械和热性能，有望成为石油基塑料的替代品。该工艺过程宜于放大，产品具有良好的可加工性和丰富多变的色彩和光泽，使其可以作为一种更加美观和耐用的结构材料有望替代塑料。相关研究成果于11月3日发表在《自然通讯》上。

据介绍，该材料具有仿珍珠母的结构设计，这种仿生设计有效改善了材料的力学性能。珍珠母所具有的“砖—泥”结构，使其可以基于普通的天然物质构筑高性能材料，并兼具高强度和高韧性的优良特性。研究人员通过多尺度的仿生结构设计和表面化学调控，成功构筑了这种兼具高强韧特点的天然生物基可持续结构材料。二氧化钛包覆的云母片作为仿生结构中的砖块，一方面为结构材料提供了远高于工程塑料的强度，另一方面还通过裂纹偏转等仿生结构原理，大幅提高了材料的韧性和抗裂纹扩展性能，为该材料作为一种新兴可持续材料替代现有不可降解塑料打下了坚实基础。

此外，结构材料的热性能，尤其是在使用条件下的高温或多变温度下的应用至关重要。由于不良的热性能，如不良的热稳定性和高温下的软化等，就会让塑料的应用受到限制。然而，此次制备出的这种纯天然仿生结构材料具有超过工程塑料的热性能。“这可以归因于CNF的高结晶度，TiO2-Mica的良好热稳定性以及表面化学改性的带来的强相互作用。这种可持续结构材料在-130℃至150℃的温度范围内，尺寸几乎没有变化，与塑料的剧烈收缩和膨胀形成鲜明对比。”据该团队科研人员介绍说。在实际应用中，材料的热胀冷缩会导致热应力，该应力通常会导致结构故障，因此，低热膨胀系数是在使用条件下在可变温度下长期使用结构材料的重要保障。在室温下，该新材料热膨胀系数约为7×10-6K-1，仅为大多数塑料的十分之一。

值得一提的是，这种全天然结构材料的机械性能在温度变化时也几乎保持不变。它的储能模量可以保持在20GPa左右，并且在25℃至200℃的温度范围内几乎保持稳定，这比塑料的储能模量更高且更稳定。此外，它的热扩散系数也高于大多数工程塑料，因此有利于散热，从而进一步确保了实际应用的可靠性。

因此，作为一种新兴的结构材料，这种全天然仿生结构材料比塑料更安全、更可靠，能够成为一种可持续、轻便、高性能的塑料替代品。本报记者 陈婉婉

《安徽日报》12版 （2020年11月17日）

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