近日，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)基于微生物發(fā)酵過程，成功研制了一類超強(qiáng)、超韌、透明的高性能可持續(xù)仿貝殼復(fù)合薄膜。該薄膜基于可持續(xù)的生物材料，采用一種氣溶膠輔助的生物合成法制備。這種新型制備方法完美地結(jié)合了納米材料沉積與微生物發(fā)酵過程的優(yōu)勢(shì)，成功實(shí)現(xiàn)了微生物產(chǎn)物與納米材料的原位復(fù)合，大幅提升了該材料的光學(xué)和力學(xué)性能。同時(shí)，通過納米粘土片和細(xì)菌纖維素兩種天然組分，成功構(gòu)筑了“磚-纖維”仿貝殼層狀結(jié)構(gòu)，使該薄膜展現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)塑料的力學(xué)性能。得益于這種仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和微生物發(fā)酵過程中納米材料原位復(fù)合過程，該薄膜集成了多種優(yōu)異的宏觀特性，展現(xiàn)出比塑料薄膜更突出的綜合性能，在新型顯示、光電轉(zhuǎn)換、柔性電子器件等領(lǐng)域具有競(jìng)爭(zhēng)力。成果以“Ultra-Strong, Ultra-Tough, Transparent, and Sustainable Nanocomposite Films for Plastic Substitute”為題發(fā)表于Matter。
圖1. 高性能可持續(xù)仿貝殼透明薄膜的制備過程與結(jié)構(gòu)示意圖。(A-B) 常溫常壓下微生物輔助合成復(fù)合水凝膠的過程。(C) 具有三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合水凝膠。(D) 高性能可持續(xù)仿貝殼透明薄膜內(nèi)部的“磚-纖維”結(jié)構(gòu)。
該薄膜具有優(yōu)異的光管理特性，在高透明度的基礎(chǔ)上兼具極高的光學(xué)霧度，能高效地散射透過的光線，從而實(shí)現(xiàn)理想的勻光效果。傳統(tǒng)的聚合物塑料薄膜由于其均質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使光線易于透過而難于散射，因此很難具備這種光學(xué)特性。而這種高透明高霧度薄膜得益于致密的仿貝殼“磚-纖維”結(jié)構(gòu)，通過薄膜內(nèi)部孔隙的填充保證透光效果，通過納米片-纖維素的界面散射保證光學(xué)霧度，從而可以在370-780 nm的可見光譜波長范圍內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)超過73％的高透明度和超過80％的高光學(xué)霧度。對(duì)于光電器件來說，這種結(jié)合了高透明度和高光學(xué)霧度的光學(xué)特性可以有效提高透過光的比例，延長光的傳輸路徑，從而顯著提升光捕獲效率。
圖2. 該薄膜與多種傳統(tǒng)塑料強(qiáng)度、模量、最高服役溫度和熱膨脹系數(shù)的Ashby圖。(A) 強(qiáng)度和模量Ashby圖，表明該薄膜具有優(yōu)于傳統(tǒng)塑料的強(qiáng)度和模量。(B) 最高服役溫度和熱膨脹系數(shù)Ashby圖，表明該薄膜具有優(yōu)于傳統(tǒng)塑料的最高服役溫度和熱膨脹系數(shù)。(C) 該薄膜的大尺寸樣品。(D-E) 該薄膜可以被折疊成各種形狀，且多次折疊后展開無明顯損傷。(F) 在展開和彎折的情況下，該薄膜上的電路都可以保持暢通，使LED燈亮。
同時(shí)，該薄膜還具有高強(qiáng)、高韌的優(yōu)異性能。其強(qiáng)度和模量可達(dá)到482 MPa和15 GPa，分別是商用PET塑料薄膜的6倍和3倍以上。此外，該薄膜還展現(xiàn)出了良好的柔韌性，可以被折疊成各種形狀，并且在多次折疊展開后沒有明顯的損傷，這種優(yōu)異的力學(xué)性能可以保證薄膜材料更好地適用于各種場(chǎng)景。納米纖維三維網(wǎng)絡(luò)和“磚-纖維”仿貝殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于應(yīng)力均勻分散，避免應(yīng)力集中，有效抑制裂紋擴(kuò)展，同時(shí)纖維變細(xì)效應(yīng)可以提高材料內(nèi)部纖維間的氫鍵密度、促進(jìn)薄膜拉伸過程中的纖維滑移，從而使材料兼具高強(qiáng)度和高韌性。
作為一種生物基可持續(xù)材料，該仿生薄膜還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，熱膨脹系數(shù)低至 3 ppm K-1，即溫度每改變100°C，尺寸變化僅為萬分之三，是商用塑料薄膜的幾十分之一。而且，相對(duì)于在高溫下極易軟化變形的塑料薄膜，該薄膜在250℃下仍能保持結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定，因此在極端環(huán)境下具備比塑料薄膜更為優(yōu)異的服役性能。
這種仿生薄膜材料集成了優(yōu)異的光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能，并且在自然條件下可以完全生物降解，克服了廢棄塑料難以降解的問題，避免了微塑料的產(chǎn)生及其對(duì)人類健康的威脅。在滿足柔性電子器件基底材料光學(xué)透明性、柔性、低成本以及高低溫下的尺寸穩(wěn)定性等要求的同時(shí)，該薄膜全生命周期綠色無污染，在未來柔性電子器件領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。
這項(xiàng)研究受到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、合肥綜合性國家科學(xué)中心等資助。
論文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30372-6
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