雙碳時代下大受追捧的新材料 這里是它的前沿進展梳理

在“雙碳”等政策的推動下，生物基材料得到了前所未有的關注。根據鴻研公眾號整理，多家生物基企業獲得了融資，總融資額十數億人民幣。這里，我們為大家整理生物基材料的前沿進展。

1、生物礦化塑料

開發環保塑料對于確保可持續發展至關重要。與源自石化產品的聚合物塑料相比，生物無機礦物是地殼中含量最豐富的物質，對環境無害。然而，這些礦物的脆性限制了它們作為塑料的應用。在這里，浙江大學唐睿康課題組報道了一種生物礦化塑料：磷酸鈣（CaP，一種典型的地質和生物礦物）低聚物在聚乙烯醇和海藻酸鈉的調控下被用于仿生礦化，得到具有周期性結構缺陷的柔性CaP納米纖維。CaP納米纖維的組裝產生了分層結構的塊狀雜化礦物（HM），它克服了礦物固有的脆性并表現出可塑性特征。HM表現出比經典聚合物塑料更好的硬度和熱穩定性。值得注意的是，HM是環保且可降解的，因為它可以參與地質循環。這些優勢表明這種材料是一種最佳的塑料替代品。相關研究以“A Flexible and Degradable Hybrid Mineral as a Plastic Substitute”為題目，發表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202107523

2、基于含核堿基聚合物的超強粘合劑/生物塑料

由于對環境的日益關注和有限化石資源的快速消耗，從生物基原料中開發新型聚合物材料是非常必要和緊迫的。然而，由于這些生物基原料制成的高分子材料的宏觀性能很少可以與石油基原料相媲美，限制了它們的廣泛應用。安徽農業大學汪鐘凱、華贊和中國科學技術大學劉光明等人，通過利用互補的氫鍵相互作用，開發了具有突出韌性和粘附性能的含核堿基聚合物。與單一均聚物相比，均聚物的超分子混合物由于分子間的互補氫鍵作用表現出更好的能量耗散和阻尼能力。除了優異的力學性能外，核堿基獨特的界面粘接傾向使聚合物材料具有高達16.2 MPa的超高粘接強度，可作為超強膠粘劑使用。因此，作者通過合理設計分子間和分子內氫鍵網絡提供了一種有效的仿生途徑來構建穩健的生物基材料。相關研究以“Rational Design of Bioinspired Nucleobase-Containing Polymers as Tough Bioplastics and Ultra-Strong Adhesives”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202112741。

3、用于柔性超級電容器的生物廢物衍生電極和電解質材料

儲能設備開發的主要挑戰之一是與清潔技術相協調的材料選擇。在此，研究人員從啤酒殘渣中提取的纖維素納米晶體 (CNC) 在與鋁離子物理交聯后用作透明水凝膠電解質。水凝膠電解質 (Al-CNC) 具有超高離子電導率（~24.9 mS cm^-1）、高透光率（在550 nm波長下~92.9%）、出色的壓縮強度（在70%應變下3.9 MPa）和耐受各種變形。同時，動物骨生物廢料用于合成多孔碳（PC）電極，可有效提供出色的比電容（~804 F g^-1?at 1 A g^-1）。通過將Al-CNC水凝膠夾在兩個骨衍生PC電極 (PC//Al-CNC//PC) 之間來組裝完全可再生的柔性對稱超級電容器。獲得的柔性器件顯示出高能量密度（18.2 Wh kg^-1，1 425 W kg^-1）、出色的功率密度（20 833 W kg^-1，7.1 Wh kg^-1）。在5 A g^-1下6 000次循環后，電容保持率約為92%。相關研究以“Biowaste-derived electrode and electrolyte materials for flexible supercapacitors”為題目，發表在Chemical Engineering Journal上。DOI:10.1016/j.cej.2022.135058

4、光敏性細菌纖維素并用于皮膚修復

皮膚損傷感染是對全球人類健康的一大威脅。目前臨床治療傷口細菌感染的方法是采用基于抗生素的傷口敷料，但是它的成本高，效率低，并可能導致抗生素耐藥性。細菌纖維素(BC)因其三維相干納米纖維網絡結構，具有超高孔隙度和保水能力，特別適用于傷口敷料。新加坡國立大學劉斌教授團隊探索了一種基于醋酸菌的光敏性細菌纖維素直接合成方法，通過原位細菌代謝來制備光敏劑（PSs）嫁接的BC，有出色的熒光和光觸發光動力殺菌活性。這種活性創面敷料具有微生物代謝光控殺菌活性，可用于皮膚傷口的修復。相關研究以“Direct Synthesis of Photosensitizable Bacterial Cellulose as Engineered Living Material for Skin Wound Repair”為題目，發表在AM上。DOI:10.1002/adma.202109010。

5、快速解構纖維素聚集體制備綠色多功能凝膠

天然纖維素是最豐富的環保資源，是實現碳中和以及可持續發展的有前途的材料。在這里，作者通過微波 (MW) 輔助離子液體 (IL) 工程將纖維素聚集體超快速完整地解構為纖維素分子。MW輻射觸發IL離子的高頻擺動，導致超快加熱行為；同時，IL離子的劇烈旋轉物理攻擊纖維素聚集體，加速它們的解構。與傳統技術（>2400 s，非完全解構）相比，MW-IL策略能夠實現纖維素的超快和完全解構（~240 s）。解構后的纖維素可以很容易地開發成具有高透明性、離子導電性、可注射性和可重復使用優勢的綠色多功能凝膠，可準確、連續地檢測人體運動。MW-IL 觸發的纖維素解構為超快速、經濟高效地制備高質量纖維素材料開辟了一個有前途的方向，這些材料可用于先進的應用，包括柔性電子、微/納米流體和能量存儲和轉換。相關研究以“Sustainable, superfast deconstruction of natural cellulosic aggregates toward intrinsically green, multifunctional gel”為題目，發表在Chemical Engineering Journal上。DOI:10.1016/j.cej.2022.134856。

6、多功能高韌性、可拉伸和耐溶劑的纖維素納米晶體光子薄膜

纖維素納米晶體 (CNC) 衍生的光子材料已被證實在可再生光學和工程領域方面具有巨大潛力。然而，使得CNC同時擁有韌性、強度和多種響應來開發高性能傳感器、智能涂層、柔性紡織品和多功能設備仍然具有挑戰性。在這里，作者報道了一種簡便而穩健的策略，即聚（乙二醇）二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）可以通過在N,N-二甲基甲酰胺溶劑體系中的紫外觸發自由基聚合而收斂到CNCs的手性向列結構中。得到的CNC-poly (PEGDMA)復合材料具有高強度 (42 ?MPa)、高拉伸性 (104%)、高韌性 (31 MJ?m^-3) 和耐溶劑性。值得注意的是，它保留了生動的光學虹彩，顯示出從紅色、黃色到綠色的可拉伸變化。更有趣的是，在暴露于噴霧水分后，它會執行敏感驅動?(4.6° s^?1) 和多種復雜的3D變形行為，并伴有協同的虹彩外觀。這種具有可持續性、魯棒性、機械致變色性和特定驅動能力的多功能系統將為機械傳感器、可拉伸光學器件、智能驅動器和軟機器人開辟一條可持續發展的道路。相關研究以“Highly Tough, Stretchable, and Solvent-Resistant Cellulose Nanocrystal Photonic Films for Mechanochromism and Actuator Properties”為題目，發表在Small上。DOI:10.1002/smll.202107105。

7、基于纖維素增強MXene復合膜的柔性摩擦納米發電機

柔性摩擦納米發電機（TENG）是未來柔性自供電系統中不可或缺的一部分。然而，如何在電極材料的強機械性能、強摩擦起電效應和高導電性之間建立平衡仍然是一個巨大的挑戰。本文開發了一種基于纖維素納米纖絲(CNFs)/過渡金屬碳化物和氮化物(MXene)復合膜的柔性且性能增強的TENG，用于收集人體運動能量。通過引入CNFs，提高了復合薄膜的機械強度、柔韌性以及對溫度變化和應變的敏感性。在CNFs/MXene比率為2/5時，傳輸的電荷和輸出電壓分別達到7.4 nC和24.9 V的最大值。所制備的TENG的最大瞬時輸出功率密度為1.2 mW m^-2。此外，通過將TENG與柔性交流電致發光相結合，展示了一種自供電柔性顯示系統。基于纖維素納米纖維增強的MXene復合薄膜的柔性TENG有望作為自供電系統的柔性能源。相關研究以“A Flexible Triboelectric Nanogenerator Based on Cellulose-Reinforced MXene Composite Film”為題目，發表在Advanced Materials Interfaces上。DOI:10.1002/admi.202102124。

8、環保、耐久防水、高透氣性纖維織物

防水透氣膜（WBM）由于其在各個科學和工業領域的廣泛應用而受到廣泛關注。然而，創建具有環境友好性和高性能的WBM仍然是一項關鍵且具有挑戰性的任務。在此，通過靜電紡絲和一步浸涂技術制備了一種高性能的環保無氟WBM。含有長烴鏈的無氟水性羥基丙烯酸樹脂（HAR）乳液賦予電紡聚丙烯腈/封端異氰酸酯預聚物（PAN/BIP）??纖維膜優異的疏水性；同時，交聯劑BIP確保了烴鏈段與纖維基材之間的強化學結合。所制備的PAN/BIP@HAR纖維膜具有高防水性和透濕性，可與現有的高性能氟化WBM相媲美。此外，PAN/BIP@HAR膜還顯示出令人印象深刻的拉伸強度和耐用性。成功合成的環保、耐用防水和高透氣性PAN/BIP@HAR膜不僅為材料設計開辟了新途徑，也提供了在各個領域具有巨大潛力的有前途的候選材料。相關研究以“Environmentally Friendly, Durably Waterproof, and Highly Breathable Fibrous Fabrics Prepared by One-Step Fluorine-Free Waterborne Coating”為題目，發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。DOI:10.1021/acsami.1c23664。

9、從軟木牛皮紙漿中提取的可再生纖維素生物質大規模制造可回收生物塑料

石化塑料堆積在地球上，對生態環境造成了極大威脅。近年來，纖維素薄膜因其良好的生物降解性、光學透明性和資源豐富性而成為替代石油基塑料的最具吸引力的候選材料之一。然而，制造纖維素薄膜的一般策略通常耗時且難以工業化。此外，這些薄膜在潮濕環境中仍存在抗水性差和機械強度差的缺點，不足以滿足實際應用。在此，作者報道了一種簡便且大規模的制備策略，用于制造由化學和物理雙交聯羧甲基化纖維素纖維 (CMF) 組成的高性能纖維素生物塑料薄膜。整個制備時間僅在1小時內，優于報道最多的方法。在這個過程中，漂白的軟木牛皮紙漿被羧甲基化，形成均勻的帶負電荷的CMF漿料，該漿料可以通過強靜電相互作用進一步與聚酰胺環氧氯丙烷樹脂或硫酸鋁交聯。由此產生的生物塑料顯示出高機械強度 (158.2 MPa)、優異的水穩定性和改進的濕強度 (20.7 MPa)。此外，該生物塑料還具有高光學透明度 (89.4%) 和霧度特性 (77.9%)、良好的熱穩定性和易于機械分解的可回收性。這種涉及簡單造紙過程的快速、可擴展且低成本的策略為生產可回收和可持續的纖維素生物塑料提供了一條有前景的工業化路線，有可能在工程和包裝方面取代石化塑料。相關研究以“Large-Scale Manufacture of Recyclable Bioplastics from Renewable Cellulosic Biomass Derived from Softwood Kraft Pulp”為題目，發表在ACS Applied Polymer Materials上。DOI:10.1021/acsapm.1c01729。

景行供稿。