Schematisk illustration av tillverkningsprocessen (a), strukturell karakterisering (b) och mekanisk undersökning (c) av de bioinspirerade hierarkiska spiralformade nanokompositfibrerna. Upphovsman:Science China Press
Högpresterande biomassabaserade nanokompositer framträder som lovande material för framtida strukturella och funktionella tillämpningar på grund av deras miljövänliga, förnybara och hållbara egenskaper. Bioanvända nanocelluloser (ett slags nanofibrer) som erhålls från växter och bakteriell jäsning är de mest förekommande råvarorna på jorden. De har väckt enorm uppmärksamhet nyligen på grund av deras attraktiva inneboende meriter inklusive biologisk nedbrytbarhet, Låg densitet, termisk stabilitet, global tillgänglighet från förnybara resurser, samt imponerande mekaniska egenskaper. Dessa funktioner gör dem till lämpliga byggstenar för att snurra nästa generations avancerade makrofibrer för praktiska tillämpningar.
Under de senaste decennierna har olika strategier har drivits för att få cellulosabaserade makrofibrer med förbättrad styrka och styvhet. Dock, nästan alla har uppnåtts på bekostnad av förlängning och seghet, eftersom styrka och seghet alltid är ömsesidigt uteslutande för konstgjorda konstruktionsmaterial. Därför, detta dilemma är ganska vanligt för tidigare rapporterade cellulosabaserade makrofibrer, vilket begränsade deras praktiska tillämpningar kraftigt.
I en ny artikel publicerad i National Science Review , Nyligen, ett bioniskt forskargrupp ledd av prof. Yu Shuhong från University of Science and Technology of China (USTC) sökte inspiration för att lösa detta problem från biologiska strukturer. De fann att de utbredda biosyntetiserade fibrerna, som vissa växtfibrer, spindelsilke, och djurhår, alla har några liknande funktioner. De är både starka och tuffa, och har hierarkiska spiralformade strukturer över skalor med flera längder med styva och starka nanoskala fibrösa byggstenar inbäddade i mjuka och energispridande matriser.
Inspirerad av dessa strukturella egenskaper i biosyntetiserade fibrer, de presenterade en designstrategi för att göra nanocellulosabaserade makrofibrer med liknande strukturella egenskaper. De använde bakteriella cellulosananofibrer som de starka och styva byggstenarna, natriumalginat som den mjuka matrisen. Genom att kombinera en enkel våtspinningsprocess med en efterföljande multipel våtvridningsprocedur, de erhöll framgångsrikt biomimetiska hierarkiska spiralformade nanokompositmakrofibrer, och insåg en imponerande förbättring av deras draghållfasthet, förlängning och seghet samtidigt som förväntat.
Denna prestation intygar giltigheten av deras bioinspirerade design och ger en potentiell väg för att ytterligare skapa många andra starka och tuffa nanokompositfibermaterial för olika applikationer.