驚呆，那些化“朽木”為神奇的科學家

今天給大家介紹三位木材、納米纖維素領域研究的大牛，分別是胡良兵、俞書宏、Lars A. Berglund，供大家學習參考。

Science：輕質、堅固、可塑性木材通過細胞壁工程作為可持續結構材料

木材是一種可持續的結構材料，但它不能在保持其機械性能的同時容易塑形。美國馬里蘭大學胡良兵教授等人報告了一種處理策略，使用細胞壁工程塑造平板硬木成通用的三維(3D)結構。基于部分去木質素和軟化天然木材，然后通過干燥縮小容器和纖維，然后水浸泡，有選擇地打開通道。這種快速的水沖擊過程形成了一個獨特的部分開放、起皺的細胞壁結構，為壓縮提供了空間，并具有支持高應變的能力，使材料易于折疊和成型。然后，這種可塑木材可以實現的不同形狀和結構可以通過空氣干燥來去除剩余的水，形成最終的3D成型木材產品。由此產生的3D成型木材比起始木材堅固六倍，并與鋁合金等廣泛使用的輕質材料相當。這種方法拓寬了木材作為結構材料的潛力，降低了建筑和交通應用對環境的影響。相關研究以“Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material”為題目，發表在Science上。DOI: 10.1126/science.abg9556

圖1 褶皺細胞壁工程策略使木材更堅固和可塑形

Nature：銅配位纖維素離子導體用于固態電池

雖然固態鋰(Li)金屬電池具有較高的能量密度和安全性，但現有的固體離子導體無法滿足電池運行的嚴格要求。無機離子導體允許快速離子傳輸，但其剛性和脆性的性質阻止了與電極的良好界面接觸。相反，鋰金屬穩定的聚合物離子導體通常提供更好的界面兼容性和機械耐受力，但通常由于離子輸運與聚合物鏈運動的耦合，離子導電性較差。美國馬里蘭大學胡良兵教授等人報道了通過分子通道工程實現高性能固體聚合物離子導體的一般策略。通過Cu²⁺與一維纖維素納米纖維的配位，研究人員發現，通常離子絕緣的纖維素分子通道的開放使Li⁺離子沿著聚合物鏈快速傳輸。除了具有較高的Li⁺電導率(室溫下沿分子鏈方向為1.5 × 10^?3 s/cm)外，Cu²⁺配位的纖維素離子導體還具有較高的轉移數(0.78，與其他聚合物的0.2-0.5相比)和一個寬的電化學穩定性窗口(0-4.5V)，可以容納鋰金屬陽極和高壓陰極。這種一維離子導體還允許離子在厚LiFePO4固態陰極中滲透，用于高能量密度的電池。此外，研究還驗證了這種分子通道工程方法與其他聚合物和陽離子的通用性，實現了類似的高導電性，這可能會超越安全、高性能的固態電池。相關研究以“Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries”為題目，發表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-021-03885-6

圖2 Li-Cu-CNF固態離子導體的結構和離子輸運性能

Nature Sustainability：從天然竹子中提取的可持續的高強度纖維

聚酯纖維和碳纖維等合成纖維被廣泛應用于各種工業中。然而，由于它們來自既不可再生也不可生物降解的石化產品，近年來，自然替代品的發展勢頭日益強勁。在這里，美國馬里蘭大學胡良兵教授等人報道了一種自上而下的方法，可從竹莖中規模化生產纖維素纖維，包括溫和的脫木質素過程，然后是水輔助空氣干燥。所提取的纖維由排列緊密的纖維素納米纖維組成，具有很強的氫鍵和范德華力，拉伸強度為1.90±0.32 GPa，楊氏模量為91.3±29.7 GPa，韌性為25.4±4.5 MJ m^?3。它超過了木材纖維，可與合成碳類似物相媲美。由于密度低，比強度高達1.26±0.21 GPa cm^?3 g^?1，超過了大多數增強成分，如鋼絲、合成聚合物和玻璃纖維。生命周期評估顯示，用現有的天然纖維取代結構復合材料中的聚合物和碳纖維，可以大幅減少碳排放。該工作為更廣泛的應用領域提供了可持續性的途徑，包括汽車、航空和建筑。相關研究以“Sustainable high-strength macrofibres extracted from natural bamboo”為題目，發表在Nature Sustainability上。DOI: s41893-021-00831-2

圖3 從天然竹莖到分離脫木質素竹纖維素纖維的形態和微觀結構演變

AFM：可食用、超強、不含微塑料的細菌纖維素吸管

一次性塑料吸管的廣泛使用造成了嚴重的環境問題，并對人類健康構成潛在威脅，而紙吸管作為其最常用的替代品，由于機械性能差和用戶體驗不愉快，并不令人滿意。中科院俞書宏院士等人報道了一種以細菌纖維素(BC)為原料，生物合成制備的可食用無微塑料吸管。通過海藻酸鹽涂層，這種BC基吸管獲得了比紙基更好的機械性能，并避免了額外的粘合劑。基于3D納米纖維網絡和強大的層間連接，該吸管綜合性能優于市面上同類產品，滿足實際使用需求。特別值得注意的是，可食用特性為吸管提供了更好的用戶體驗和新的報廢選擇，使基于BC的吸管成為更健康、更環保的塑料吸管替代品。相關研究以“Edible, Ultrastrong, and Microplastic-Free Bacterial Cellulose-Based Straws by Biosynthesis”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202111713

圖4 BC基吸管制備及細菌纖維素結構示意圖

ACS Materials Lett.：可持續性、具有多尺度結構的高霧度透明薄膜

中國傳統宣紙以其高強度、高韌性和高柔韌性而著稱。微觀上，這種顯著的力學性能來自于其均勻的納米和微觀結構。在這里，受生物材料和宣紙的多尺度結構設計的啟發，中科院俞書宏院士等人報道了一種具有超細納米和微尺度結構的超強、超柔韌性透明纖維素纖維薄膜。通過在纖維素納米纖維網絡中引入微米級纖維素纖維，多尺度薄膜將高強度(258MPa)和韌性(7.90 MJ m^?3)與低熱膨脹系數、高透光率(82.7%)和高霧度(97.4%)同時結合在一起。此外，多尺度的設計使薄膜在完全折疊和卷裝后可以恢復完整，是一種高性能和環保的替代薄膜材料，適用于柔性電子器件的實際應用。相關研究以“Sustainable Multiscale High-Haze Transparent Cellulose Fiber Film via a Biomimetic Approach”為題目，發表在ACS Materials Lett.上。DOI: 10.1021/acsmaterialslett.1c00630

圖5 多尺度薄膜的制備

Nano Lett.：具有高密度可逆相互作用網絡的植物纖維素納米纖維衍生結構材料替代塑料制品

無處不在的石化塑料對生態系統構成潛在威脅。為此，生物衍生和可降解高分子材料正在被開發，但它們的機械和熱性能無法與現有的石化基塑料競爭，特別是那些用作結構材料的塑料。中科院俞書宏院士等人報道了一種生物可降解植物纖維素納米纖維(CNF)衍生的聚合物結構材料，該材料具有高密度的可逆相互作用網絡，其力學性能和熱性能優于現有的石化基塑料。與現有的石化基塑料相比，這種全綠色材料的抗彎強度(~ 300 MPa)和模量(~ 16 GPa)顯著提高。其平均熱膨脹系數僅為7 × 10^?6 K^?1，比石化基塑料的熱膨脹系數低10倍以上，說明其受熱時尺寸基本不變，具有比塑料更好的熱尺寸穩定性。作為一種完全生物衍生和可降解的材料，全綠色材料為石化基塑料提供了更可持續的高性能替代品。相關研究以“Plant Cellulose Nanofiber-Derived Structural Material with HighDensity Reversible Interaction Networks for Plastic Substitute”為題目，發表在Nano Lett.上。DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02315

圖6 植物CNF衍生結構材料的制備與性能

Adv. Sci.：高性能，完全生物基，光學透明的木頭材料

工程生物復合材料的可持續發展由于缺乏生物基單體的優良工藝與高性能結合而受到限制。在這里，瑞典皇家理工學院Lars A. Berglund教授報道了一種新型全生物基透明木材生物復合材料，該材料基于可再生資源的新型丙烯酸檸檬烯單體的綠色合成。該單體浸漬在脫木質素的琥珀酰化的木材基板中聚合，形成光學透明的生物復合材料。丙烯酸檸檬烯的化學結構使擴散進入細胞壁，聚合物相折射率匹配，并共價連接到木材基板。這使得納米結構的生物復合材料在1.2 mm厚度時具有優良的光學透光率90%和顯著的低霧率30%，同時具有較高的機械性能(強度174 MPa，楊氏模量17 GPa)。生物基透明木材在可持續木材納米技術的結構應用方面具有巨大的發展潛力，其中透明和機械性能相結合。相關研究以“High Performance, Fully Bio-Based, and Optically Transparent Wood Biocomposites”為題目，發表在Adv. Sci.上。DOI: 10.1002/advs.202100559

圖7 a)合成丙烯酸檸檬烯(LIMA)單體的化學路線。b) PLIMA的光學透過率和霧度。c)與普通熱固性聚合物相比，PLIMA生物基聚合物的力學性能。d)木材結構示意圖以及生物基透明木材。

Chem. Mater.：具有結構色的透明木材納米復合材料的簡易加工

木材是一種生態友好和豐富的基質，是大規模納米技術功能化的候選者。然而，納米粒子滲透到木材中，受到木材分層結構和相互連接的纖維的阻礙。在這項工作中，瑞典皇家理工學院Lars A. Berglund教授將去木質素的木材浸漬金和銀鹽，通過微波輔助合成，再原位還原成等離子體納米粒子。透明生物復合材料是由含有納米顆粒的木材制成的，這種木材是具有結構顏色的承重材料，這種著色源于納米粒子表面等離子體激元。去木質素的木材預先設計在纖維“管”表面，可作為綠色還原劑和納米顆粒附著的加強支架。利用掃描透射電子顯微鏡(STEM)、能量色散光譜(EDS)和拉曼顯微鏡研究納米結構，以確定顆粒大小、顆粒分布和結構-性質關系。還研究了包括對偏振光的響應等在內的光學特性。相關研究以“Facile Processing of Transparent Wood Nanocomposites with Structural Color from Plasmonic Nanoparticles”為題目，發表在Chem. Mater.上。DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c00806

圖8 Ag-TW和Au-TW的光學性質

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本文由junas供稿。