如果猛击塑料瓶会发生什么？它会被压扁。玻璃瓶呢？它会破碎。用工程术语来说，这意味着塑料坚韧（tough），而玻璃坚硬（strong）。

大多数人造材料可以坚韧或坚硬，但不能两者兼具。

现任职俄亥俄州伊顿市拉姆研究公司的工程师阿比纳夫·拉奥（Abhinav Rao）在麻省理工学院攻读博士学位期间，与其他研究人员共同创造了一种既坚韧又坚硬的新材料。这项研究部分由宝洁公司和国家国防科学与工程研究生奖学金资助。拉奥和他的同事们在 2022年3月的《纤维素》（Cellulose）杂志上介绍了他们是如何做到这一点的。他把创造这种材料的灵感归功于“大自然给我们的启示”。

一棵树的树干粗壮结实，粗糙坚硬的皮层上有隆起的筋和纵裂的纹，像生铁铸就的模样，是树木坚固的象征；蔓延的根系深入地下，为树木提供稳定的支撑。然而，一棵树最坚固的部分不在于它的树干或蔓延的根系，而在于它的微观细胞壁。

木质细胞壁由纤维素纤维组成，纤维素是地球上最丰富的聚合物，构成了所有植物和藻类的主要结构。每根纤维内部含有增强纤维素的纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystals , CNCs），这些晶体是以近乎完美的晶体结构排列的有机聚合物链。这些微小的晶体形似牙签，赋予纤维出色的结构强度。它们的尺寸极其微小，大约需要堆叠 500 个这样的晶体，才能达到一根人类头发丝的宽度。在纳米尺度上，CNCs比杜邦Kevlar 更结实、更坚硬。如果能将这些晶体大量地加工成材料，那么 CNCs 就能成为一种更坚固、更可持续的天然塑料。

通过物理切割剥离、酶水解、化学酸解或氧化处理的自上而下（top-down）方法，工程师们可去除木材中的无定形纤维素和半结晶纤维素，得到刚性短棒状的纤维素纳米晶。正如木材科学家艾米丽·克兰斯顿（Emily Cranston）解释说：“我们正在将树木分解到其最小的组成部分。”

图中的纤维素纳米晶体就像细小的牙签或米粒。克兰斯顿说，“你可以想象一下挑木棒（pick-up sticks），根据棍子落下的方式，你可以得到各种结构，"她解释说。Kevin G. Yager and Emily Cranston

挑木棒（pick-up sticks）游戏

一旦你有了一堆这样的纳米牙签，可能性几乎是无穷无尽的。克兰斯顿说：“我们可以把树变成各种很酷的东西。" 一些研究人员正在将纤维素纳米晶体转化为电子元件；一些人正在用它们制造医疗设备；还有一些人正在用它们来净化水。日本的一个研究小组甚至用含有纤维素纳米晶体的材料制造了一整辆汽车（该汽车图片由日本环境省政府提供。根据MIT提供的相关媒体报道，该汽车使用的材料是CNC。而根据日本环境省政府网站的信息，其采用的是另一类纤维素纳米材料——纤维素纳米丝，即CNF）。

这辆车来自树木！但它不是直接用树木制成的。科学家们只提取了木材中最坚韧、最结实的部分——纤维素纳米材料，并将其添加到其他材料中。专家们希望这种秘密成分能让我们大大减少塑料的使用量。

不过，在拉奥的团队出现之前，这些纳米晶体在新材料中所占比例非常小（塑料往往占其余部分）。拉奥解释说，这些材料之所以没有包含更多的纳米晶体，是因为纳米晶体容易结块。这样一来，它们的微小牙签形状就会消失，也就失去了惊人的韧性和强度。

为了增加小牙签的数量，使它们能挤在一起而不结块，拉奥的团队发明了一种新的凝胶。

这种凝胶从含有一些塑料和纤维素纳米晶体的液体开始制作。他们首先将合成聚合物溶液与市售的 CNC 粉末混合，并确定了可将溶液变成凝胶的 CNC 和聚合物的比例，这种凝胶的稠度既可以通过3D打印机的喷嘴送入，也可以倒入模具中浇铸。

拉奥解释说："此时，纤维素位于底部。”接下来，研究小组用超声波振动液体，这就搅动了纳米晶体，使沉积在底部的纤维素更有可能与聚合物分子形成牢固的结合。

一旦完全混合后，液体迅速凝固成凝胶体，几秒钟内便停止流动。这种凝胶比果冻硬得多——即使倒置杯子，凝胶也不会滑出。3D 打印机或成型机可以施加足够的压力，将其塑造成新的形状。研究人员将部分凝胶注入3D打印机，其余的则倒入模具中进行铸造。随后，他们把打印出的样品干燥。在这个过程中，材料发生收缩，最终形成主要由纤维素纳米晶体构成的固体复合材料。

作为测试，拉奥的团队使用凝胶制作了一个牙齿形状的物体。将这种凝胶暴露在热量下，会使其硬化成固体并产生一定的收缩，最终强度和韧性与某些类型的骨骼相当。

这种材料未来有望用于制造纤维素牙科植入物以及其他塑料产品，使其更坚固、耐用和可持续。

拉奥的团队发明了一种含有大量纤维素纳米晶体的新材料。这种新材料既坚固又坚韧，其结构类似于人类牙齿中的珐琅质。这也是研究小组决定将他们的材料制成这种牙齿形状的原因。由A. John Hart 和 Abhinav Rao 提供，麻省理工学院新闻编辑

拉奥表示：“我们基本上是解构了木材，然后对其进行了重建。我们提取了木材中最佳的成分，即纤维素纳米晶体，并对其进行了重构，从而获得了一种新的复合材料。”

他团队设计的复合材料主要由纤维素纳米晶体与少量合成聚合物混合而成，天然成分约占材料的60%至90%，这是迄今为止复合材料中最高的CNC含量。克兰斯顿补充道：“这非常好，里面含有大量的树木成分。”

研究小组将复合材料打印并浇铸成一分钱大小的薄膜，用来测试材料的强度和硬度。有趣的是，当研究人员在显微镜下观察这种复合材料的结构时，发现其微观结构成一种砖墙状图案，类似于一些软体动物的硬壳内层——珍珠母（Nacre）。

鹦鹉螺壳内五彩斑斓的珍珠层

在珍珠母中，如果有裂纹，会形成“之”字形的微观结构，可以阻止裂缝直接穿过材料。研究人员发现他们的新型纤维素复合材料也具备这种特性。

他们使用工具测试了材料的抗裂性，先引发纳米级裂缝，然后是微米级裂缝。结果显示，在多个尺度上，纤维素的结构排列有效防止了裂缝撕裂材料。这种抗塑性变形的能力使该复合材料的硬度和刚度达到了介于传统塑料和金属之间的水平。

e压痕和 f 划痕的高倍率图像显示了微观尺度的脆塑性，以及有助于提高体积延展性的断裂增韧机制

展望未来，研究小组正在寻找将凝胶干燥时的收缩率降至最低的方法。虽然在打印小型物体时，收缩并不是什么大问题，但任何更大的物体都可能在复合材料干燥时发生弯曲或开裂。拉奥说：“如果能避免收缩，我们可以继续放大规模，甚至达到米级。大胆设想的话，我们可以用纤维素复合材料替代大量塑料。”

我们需要具有特性的材料，如强度、韧性或耐久性。但我们还需要考虑另一种特性——环境友好。由于纤维素纳米晶体来自树木，因此比塑料或大多数其他合成材料更“环保”。

人们知道如何管理森林提供大量木材，也有可能从藻类甚至细菌中获取这种晶体“牙签”。与来自化石燃料的塑料不同，这些纤维素材料几乎是无穷无尽的可再生资源。

研究小组的机械工程学教授约翰·哈特（A. John Hart）说："通过在高负载下将纤维素纳米晶体与聚合物材料复合，我们可以赋予聚合物基材料前所未有的机械性能。如果我们能用天然萃取的纤维素取代一些石油基塑料，那无疑对地球更有利。"

塑料在无法生物降解时也会对环境造成危害，而纤维素晶体容易分解。然而，当这些晶体与塑料混合时，材料可能不易降解或回收，尤其是当它被设计得非常坚固和耐用时。克兰斯顿说，工程师们必须在这些重要特性之间找到平衡。

她进一步提出问题：“如果使用全天然、纳米级的‘牙签’，你会用它建造什么？

Reference:

1. https://news.mit.edu/2022/plant-derived-composite-0210

2. https://www.snexplores.org/article/innovation_2022-green-material-tree-cellulose-nanocrystals

3. https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-021-04384-7

4. https://www.rish.kyoto-u.ac.jp/ncv/outline/

5. https://www.bioglitz.co/textile-glitz-1

来源：as科学艺术研究中心

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