Plast ger oss en lätt, starkt och billigt material att använda, men det har också orsakat plastapokalypsen. Mycket av det återvunna plastavfallet hamnar i havet, Jordens sista sjunka. Nedbruten av vågor, solljus och marina djur, en enda plastpåse kan bli 1,75 miljoner mikroplastfragment. Dessa mikroplaster kan slutligen hamna i våra kroppar genom fisken vi äter eller vattnet vi dricker.

Under den långsiktiga utvecklingen av de flesta växter på jorden, cellulosabaserade material har utvecklats som sina egna strukturella stödmaterial. Cellulosa i växter finns främst i form av cellulosananofibrer (CNF), som har utmärkta mekaniska och termiska egenskaper. CNF, som kan härröra från växter eller produceras av bakterier, är en av de mest förekommande helt gröna resurserna på jorden. CNF är en idealisk byggsten i nanoskala för att konstruera makroskopiska högpresterande material, eftersom den har högre hållfasthet (2 GPa) och modul (138 GPa) än kevlar och stål och lägre termisk expansionskoefficient (0,1 ppm K ^-1 ) än kiselglas. Baserat på denna biobaserade och biologiskt nedbrytbara byggsten, konstruktionen av hållbara och högpresterande strukturella material kommer i hög grad att främja ersättningen av plast och hjälpa oss att undvika plastapokalypsen.

Nu för tiden, ett team som leds av professor Shu-Hong Yu från University of Science and Technology i Kina (USTC) rapporterar ett högpresterande hållbart strukturmaterial som kallas cellulosa nanofiberplatta (CNFP) (fig. 1a och c) som är konstruerat av bio- baserad CNF (Fig. 1b) och redo att byta ut plast på många områden. CNFP har en hög specifik hållfasthet (~198 MPa/(Mg m ^-3 ))—fyra gånger högre än för stål och högre än för traditionell plast och aluminiumlegering. Dessutom, CNFP har en högre specifik slagseghet (~67 kJ m ^-2 /(Mg m ^-3 )) än aluminiumlegering och bara hälften av dess densitet (1,35 g cm ^-3 ).

Till skillnad från plast eller andra polymerbaserade material, CNFP uppvisar utmärkt motståndskraft mot extrema temperaturer och termiska stötar. Den termiska expansionskoefficienten för CNFP är lägre än 5 ppm K-1 från -120 °C till 150 °C, som är nära keramiska material, mycket lägre än typiska polymerer och metaller. Dessutom, efter 10 gånger av snabb termisk chock mellan en 120 °C ugn och -196 °C av flytande kväve, CNFP behåller sin styrka. Dessa resultat visar dess enastående termiska dimensionsstabilitet, vilket gör att CNFP kan ha stor potential att användas som ett strukturellt material under extrema temperaturer och omväxlande kylning och uppvärmning. På grund av sitt breda utbud av råmaterial och bioassisterad syntesprocess, CNFP är ett billigt material-endast $ 0,5/kg, som är lägre än de flesta plast. Med låg densitet, enastående styrka och seghet, och stor termisk dimensionell stabilitet, alla dessa egenskaper hos CNFP överträffar egenskaperna hos traditionella metaller, keramik och polymerer (fig. 1d och e), vilket gör det till ett högpresterande och miljövänligt alternativ för teknik, speciellt för flygtillämpningar.

CNFP har inte bara makten att ersätta plast och räddar oss från att drunkna i den, men har också stor potential som nästa generations hållbara och lätta konstruktionsmaterial.

Studien redovisas i Vetenskapens framsteg .