海藻酸鈉包裹纖維素，提升拉伸強度；多級螺旋纏繞，實現(xiàn)強韌雙收。

多級纏繞是天然纖維的常見策略（pixabay）

植物組織分離、細(xì)菌發(fā)酵等都可以得到納米尺寸的纖維素。纖維素密度低、熱穩(wěn)定性好、力學(xué)性能出色，同時可降解、可再生、可持續(xù)，因而受到諸多關(guān)注。研究者希望研制出宏觀尺度的高性能纖維素基材料。

然而，纖維素基材料強度和韌性之間的矛盾尚未得到解決。高強度的獲得往往以犧牲斷裂延伸率和韌性為代價，于是低韌性、易脆斷等問題嚴(yán)重限制了纖維素基材料在先進織物等領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。

反觀自然界，許多植物纖維（如麻纖維、棉纖維等）和動物纖維（如毛發(fā)、蠶絲等）都有效規(guī)避了強、韌之間的矛盾，實現(xiàn)了高強度和高韌性的完美組合。這些典型的天然納米復(fù)合材料具有一些共性：它們都由高度取向的高強度納米纖維單元包裹在較柔軟的有機物基質(zhì)中構(gòu)成，并具有高度有序的多級螺旋纏繞結(jié)構(gòu)。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授團隊借鑒天然纖維材料策略，成功研制了一種既強又韌的宏觀尺度纖維素基納米復(fù)合纖維材料。相關(guān)成果在線發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR），第一作者為高懷嶺副研究員和碩士生趙然。

仿生宏觀纖維材料的制備流程圖

研究者首先以高強度細(xì)菌納米纖維素作為增強基元，以海藻酸鈉生物大分子作為有機物基質(zhì)，將兩者的復(fù)合水溶液進行溶液紡絲，得到拉伸強度初步提升的單取向結(jié)構(gòu)宏觀納米復(fù)合纖維。單純海藻酸鈉宏觀纖維的拉伸強度為190 MPa，而復(fù)合纖維提高至420 MPa。

隨后，研究者通過多級螺旋纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到了具有類似生物結(jié)構(gòu)特征的人工宏觀纖維材料，其拉伸強度繼續(xù)提升25%，斷裂延伸率和韌性則分別同步提升近50%和100%，最終拉伸強度、斷裂延伸率和韌性分別可達535 MPa、16%和45 MJm-3。

仿生宏觀纖維材料的形貌結(jié)構(gòu)表征，可見細(xì)菌納米纖維素被海藻酸鈉基質(zhì)均勻包裹，且纖維整體呈現(xiàn)出類似天然生物纖維的多級螺旋纏繞結(jié)構(gòu)。

該研究有效解決了人工材料中強度和韌性之間難以調(diào)和的矛盾，所獲得的最高拉伸強度可以和高性能的纖維素基天然植物纖維相媲美，可實現(xiàn)的最高斷裂延伸率超過了幾乎所有纖維素基天然植物纖維和人工合成的纖維素基宏觀纖維材料，再加上其突出的韌性，使其有望作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。此外，該研究中的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計策略也可應(yīng)用于其他復(fù)雜等級結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計和制備。