世界上最强的生物材料优于钢丝和蜘蛛丝

在DESY的X射线光源PETRA III中，瑞典研究人员领导的团队生产了迄今为止最强大的生物材料。人造但可生物降解的纤维素纤维比钢更强，甚至比拉索蜘蛛丝更强，这通常被认为是最强的生物基材料。由斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的DanielSöderberg领导的团队报告了美国化学学会ACS Nano杂志的工作。

超强材料由纤维素纳米纤维(CNF)制成，纤维素纳米纤维是木材和其他植物生命的基本组成部分。研究人员使用一种新颖的生产方法，成功地将这些纳米纤维的独特机械性能转化为宏观轻质材料，可用作飞机，汽车，家具和其他产品中塑料的环保替代品。“我们的新材料甚至具有生物医学的潜力，因为纤维素不会被身体排斥，”Söderberg解释道。

科学家们开始研究市售的纤维素纳米纤维，其直径仅为2至5纳米，长度可达700纳米。纳米(nm)是百万分之一毫米。将纳米纤维悬浮在水中并进料到一个宽度仅为1毫米并用钢碾磨的小通道中。通过两对垂直流入，额外的去离子水和具有低pH值的水从侧面进入通道，将纳米纤维流挤压在一起并加速它。

这个过程称为流体动力聚焦，有助于将纳米纤维在正确的方向上对齐，并将其自组织整合到一个包装良好的宏观螺纹中。不需要胶水或任何其他组分，纳米纤维组装成由纳米纤维之间的超分子力(例如静电力和​​范德瓦尔斯力)保持在一起的紧密线。

利用来自PETRA III的明亮X射线，科学家们可以跟踪并优化该过程。“X射线使我们能够分析线的形状以及超强纤维中的材料结构和层次顺序的详细结构，”共同作者，微观和纳米焦点负责人DESY的Stephan Roth解释说。 X射线散射光束线P03，其中螺纹旋转。“我们的螺纹厚度达到15微米，长度达到几米。”

测量显示材料的拉伸刚度为86千兆帕(GPa)，拉伸强度为1.57GPa。“这里生产的生物基纳米纤维素纤维的硬度是其8倍，并且比天然拉索蜘蛛丝纤维具有更高的强度，”Söderberg说。“如果你正在寻找一种生物基材料，那就没有什么比这更好的了。它也比钢铁和任何其他金属或合金以及玻璃纤维和大多数其他合成材料更坚固。” 人造纤维素纤维可以织成织物以产生用于各种应用的材料。研究人员估计，新材料的生产成本可与强力合成纤维的生产成本相媲美。“新材料原则上可用于制造生物降解成分，”Roth补充道。

该研究描述了一种新方法，该方法模拟自然界将纤维素纳米纤维积聚成近乎完美的宏观尺度排列的能力，如木材。它为开发纳米纤维材料开辟了道路，纳米纤维材料可用于更大的结构，同时保持纳米纤维的拉伸强度和承受机械载荷的能力。“我们现在可以将超级性能从纳米尺度转变为宏观尺度，”Söderberg强调说。“通过理解和控制完美纳米结构所必需的关键基本参数，例如粒径，相互作用，排列，扩散，网络形成和组装，这一发现成为可能。” 该方法还可用于控制碳管和其他纳米尺寸纤维的纳米级组装。