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  在過去半個世紀里，塑料制品被大規(guī)模使用在人類生活的方方面面。過去60年里人類共生產(chǎn)了大約83億噸塑料，其中約63億噸已變成塑料垃圾。而這些塑料垃圾里只有9%被回收利用，其余的被直接填埋或傾倒，造成自然環(huán)境和資源的污染 ，影響范圍之廣令人震驚（包括在地球上最深的瑪利亞那海峽底部已發(fā)現(xiàn)一次性塑料袋）。塑料最大的問題在于不易降解，絕大多數(shù)常用的塑料制品需要數(shù)百年才能完全降解，這一難題直接導致了越來越嚴重的白色污染。如何探索和發(fā)明一種低成本高性能的環(huán)保材料來替代塑料，仍然是人類亟待解決的一大難題。

  美國馬里蘭大學胡良兵教授和李騰教授團隊的最新研究為這一難題提供了一個非常有前景的解決方案。馬里蘭大學研究團隊利用石墨和納米纖維素之間的二級鍵作用（例如氫鍵），實現(xiàn)了一種低成本、高性能、可完全降解的新型結(jié)構(gòu)材料（見圖1），其密度和成本與塑料相當，但強度比鋼材還要高，而且可以在水中完全降解。 這一最新成果在2019年5月8日在線發(fā)表于材料科學領(lǐng)域頂級期刊Materials Today.

圖1.（上）基于石墨-納米纖維素的復合材料結(jié)構(gòu)示意圖；（下）該復合材料力學性能優(yōu)異。其比強度遠遠超過所有常用金屬，甚至鈦合金。

  石墨和纖維素是地球上最豐富和低成本的材料之一。在分子水平上，兩種材料都具有高機械強度，高模量和低密度，是潛在的多功能復合材料理想構(gòu)件，可實現(xiàn)與金屬，碳纖維等聚合物媲美的優(yōu)良性能。但是因為石墨薄片間結(jié)合不良，容易滑移，很難將石墨材料加工至強度高于6MPa。 另一方面，雖然纖維素可以加工成強度高達300-500MPa的結(jié)構(gòu)材料，但纖維素溶液的固體濃度很難超過5％（即> 95％是水），這也很大程度限制了此類材料的批量生產(chǎn)。

  為解決如上挑戰(zhàn)，馬里蘭大學研究團隊通過使用納米纖維素作為分散劑，在水溶液中直接從商業(yè)石墨粉末中剝離出具有大橫向尺寸的數(shù)層石墨薄片，然后將得到的石墨-納米纖維素漿料大面積印刷，并澆鑄干燥成超強 （～1GPa）和超韌 (~30.0MJ / m³)的復合材料。由于石墨和纖維素的低密度，所得超強超韌的復合材料的比強度高達~700 MPa /（g cm³），優(yōu)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料，如金屬，聚合物，甚至輕質(zhì)合金（如鈦合金）。該研究團隊還通過熱壓制造了多層石墨-納米纖維素復合材料，并在子彈穿透實驗里顯示很強的防彈性能（高出純納米纖維紙4.6倍）。此外，通過結(jié)合分子動力學模擬和原位原子力顯微鏡拉伸試驗（與萊斯大學樓駿教授團隊合作），該研究團隊發(fā)現(xiàn)這一復合材料的優(yōu)異力學性能（強度和韌性）源于納米纖維素和石墨之間含有有二級鍵的協(xié)同效應，即納米纖維素和石墨之間的疏水位點（C-H部分）和親水（氫鍵）基團的相互作用。

  由于石墨和纖維素的天然可降解性，這項研究得到的超強超韌復合材料可以在水里被完全降解會石墨和纖維素，降解過程不需要任何化學制品，并可以在數(shù)天之內(nèi)完成降解。這一亮點使得石墨-納米纖維素復合材料具有取代塑料的巨大前景。

  馬里蘭大學研究團隊展示了固體濃度高達20%的石墨-納米纖維素漿料，使得復合材料大面積印刷制備工藝成為可能，該團隊已經(jīng)成果制備了120厘米×30厘米的復合材料樣品（見圖2）。

圖2.（上）高固體濃度石墨-納米纖維素漿料使得大面積印刷制備工藝成為可能；（下）120厘米×30厘米的復合材料樣品。

  馬里蘭大學研究團隊發(fā)明的這一低成本高性能并且可以完全降解的環(huán)保材料具有巨大的應用前景，不但有可能取代塑料，而且其超高比強度的優(yōu)異性能也展示了其取代鋼材等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的潛力。目前馬里蘭大學研究團隊正在與Trinity Group, Inc. (北美最大的鐵路車輛制造商)合作探索該材料的商業(yè)應用。

  馬里蘭大學胡良兵教授和李騰教授研究團隊近年來在新一代超強超韌結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域頻頻取得突破性原創(chuàng)研究成果， 包括超強超韌的纖維素納米紙（PNAS， 2015）和超級木頭（Nature， 2018），得到全球范圍內(nèi)的關(guān)注。馬里蘭大學超級木頭的研究在2018年榮獲有“國際技術(shù)發(fā)明奧斯卡”之稱的R&D100大獎。此次發(fā)表在Materials Today上的這一最新復合材料的力學性能更創(chuàng)新高，其強度和比強度甚至超過超級木頭。這一最新成果展現(xiàn)出來的技術(shù)和商業(yè)潛力巨大，因而在日前榮獲“馬里蘭大學2018年年度發(fā)明獎（物理科學領(lǐng)域）”（見圖3）。

圖3.馬里蘭大學研究團隊在 “馬里蘭大學2018年年度發(fā)明獎”頒獎典禮與頒獎嘉賓合影。研究成果共同發(fā)明人（前排右起）：周玉冰博士，李騰教授，Bob Foster (Trinity)，胡良兵教授，陳朝吉博士。馬里蘭大學官員（后排右起）：校長陸道逵博士，主管科研副校長Laurie E. Locascio博士,首席創(chuàng)新官 Julie Lenzer。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702118312422