新的植物合成材料像骨头一样坚韧，像铝合金一样坚硬

诸平

Fig.1 A new woody composite, engineered by a team at MIT, is as hard as bone and as tough as aluminum, and it could pave way for naturally-derived plastics. This image shows a tooth printed by the team resting on a background of wood cells. Credit: Massachusetts Institute of Technology

Fig. 2 Caption:The team hit on a recipe for the CNC-based composite that they could fabricate using both 3-D-printing and conventional casting. Credit: Massachusetts Institute of Technology

Fig. 3 The team sculpted the composite into the shape of a tooth to show that the material might one day be used to make wood-derived dental implants — and for that matter, any plastic product — that are stronger, tougher, and more sustainable. Credit: Massachusetts Institute of Technology

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2022年2月10日提供的消息，由麻省理工学院（MIT）的一个研究团队设计的一种新木质复合材料，它像骨头一样坚硬，像铝一样坚韧（New plant-derived composite is tough as bone and hard as aluminum），它可以为自然衍生的塑料铺平道路。上述照片（Fig. 1）显示的是研究小组在木细胞背景上打印的一颗牙齿。

一棵树最强壮的部分不是树干或蔓生的树根，而是它的微小细胞的壁。

一个单木细胞壁是由纤维素纤维构成的，纤维素是自然界中最丰富的聚合物，也是所有植物和藻类的主要结构成分。在每一种纤维中，都有增强纤维素纳米晶体(cellulose nanocrystals 简称CNCs)，它们都是以近乎完美的晶体图案排列的有机聚合物链。在纳米尺度上，CNCs比凯夫拉尔（Kevlar）更坚固。如果这些晶体能够被加工成重要组分的材料，那么CNCs可能会成为一种更强、更可持续、自然衍生塑料的途径。

现在，MIT的一个团队设计了一种复合材料，主要由纤维素纳米晶体和少量合成聚合物混合制成。有机晶体占材料的60%到90%，这是迄今为止复合材料中CNCs的最高比例。

研究人员发现纤维素基复合材料比某些类型的骨骼更坚固，比典型的铝合金更坚硬。这种材料有一种类似珍珠层（nacre）的砖砂浆微结构（brick-and-mortar microstructure），珍珠层是一些软体动物坚硬的内壳内衬。

该团队偶尔发现了一种基于CNC的复合材料的配方，他们可以使用3D打印和常规铸造来制造这种复合材料（见Fig. 2）。他们将复合材料打印并铸造成硬币大小的薄膜，用来测试材料的强度和硬度。他们还将复合材料加工成牙齿的形状，以表明这种材料有一天可能被用于制造基于纤维素的种植牙（dental implants）——以及任何塑料产品——更强、更硬、更可持续（见Fig. 3）。

机械工程教授A.约翰·哈特（A. John Hart）说:“通过在高负荷下使用CNC制造复合材料，我们可以赋予聚合物基材料前所未有的机械性能。如果我们可以用天然的纤维素取代一些基于石油的塑料，这可以说对地球也更友好。”

约翰·哈特和他的团队，包括2018届博士毕业生阿比纳夫·拉奥（Abhinav Rao Ph.D. '18）、蒂鲍特·迪沃克斯（Thibaut Divoux）和2017届硕士毕业生克里斯特尔·欧文斯（Crystal Owens SM '17）2022年2月10日在《纤维素》（Cellulose）杂志网站上发表了他们的研究结果——Abhinav Rao, Thibaut Divoux, Crystal E. Owens, A. John Hart. Printable, castable, nanocrystalline cellulose-epoxy composites exhibiting hierarchical nacre-like toughening, Cellulose, Published: 10 February 2022. DOI: 10.1007/s10570-021-04384-7.

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

凝胶成键（Gel bonds）

每年，从植物的树皮、木材或叶子中合成的纤维素超过100亿吨。大部分纤维素被用来制造纸张和纺织品，还有一部分被加工成粉末，用于食品增稠剂和化妆品。

近年来，科学家们探索了纤维素纳米晶体的用途，这种纳米晶体可以通过酸水解从纤维素纤维中提取出来。这种异常强的晶体可以作为聚合物材料的天然增强剂。但是，研究人员只能将低比例的CNCs混入，因为这种晶体倾向于聚集，并且只与聚合物分子形成弱键。

约翰·哈特和他的同事们试图开发一种含有高比例CNCs的复合材料，使其能够形成坚固耐用的形式。他们首先将一种合成聚合物溶液与市面上的CNCs粉末混合在一起。该团队确定了CNCs和聚合物的比例，可以将溶液变成凝胶，其稠度可以通过3D打印机的喷嘴注入或倒入待铸造的模具中。他们用超声波探针分解凝胶中的任何纤维素块，使分散的纤维素更容易与聚合物分子形成牢固的键。

他们用3D打印机打印出一些凝胶，然后把剩下的倒进模具中。然后他们让打印出来的样品晾干。在这个过程中，材料收缩了，留下了主要由纤维素纳米晶体组成的固体复合材料。

阿比纳夫·拉奥说:“我们基本上是解构了木头，然后重新构建了它。我们采用了木材中最好的成分，即纤维素纳米晶体，并对其进行了重建，以实现一种新的复合材料。”

艰难的裂缝（Tough cracks）

有趣的是，当研究小组在显微镜下观察这种复合材料的结构时，他们发现纤维素颗粒形成了一种砖和砂浆的结构，类似于珍珠质的结构。在珍珠质中，这种锯齿状的微观结构阻止了裂纹直接穿过材料。研究人员发现，他们的新纤维素复合材料也是如此。

他们测试了这种材料的抗裂缝性，使用工具先引发纳米级和微级裂缝。他们发现，在多个尺度上，复合材料中纤维素颗粒的排列阻止了裂纹将材料劈裂。这种抗塑性变形的能力使复合材料在传统塑料和金属之间的边界处具有硬度和刚度。

接下来，该团队正在寻找方法来最小化凝胶干燥时的收缩。虽然在打印小物体时收缩不是一个大问题，但当复合材料干燥时，任何更大的物体都可能发生弯曲或开裂。

阿比纳夫·拉奥说:“如果你能避免收缩，你就能不断扩大规模，也许能达到米级。然后，如果我们有更大的梦想，我们可以用纤维素复合材料取代相当一部分塑料。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

从回收的木材废料中提取的纳米晶体使碳纤维复合材料更加坚硬（Nanocrystals from recycled wood waste make carbon-fiber composites tougher）

Abstract

Due to their exceptional mechanical and chemical properties and their natural abundance, cellulose nanocrystals (CNCs) are promising building blocks of sustainable polymer composites. However, the rapid gelation of CNC dispersions has generally limited CNC-based composites to low CNC fractions, in which polymer remains the dominant phase. Here we report on the formulation and processing of crosslinked CNC-epoxy composites with a CNC fraction exceeding 50 wt%. The microstructure comprises sub-micrometer aggregates of CNCs crosslinked to polymer, which is analogous to the lamellar structure of nacre and promotes toughening mechanisms associated with bulk ductility, despite the brittle behavior of the aggregates at the nanoscale. At 63 wt% CNCs, the composites exhibit a hardness of 0.66 GPa and a fracture toughness of 5.2 MPa m^1/2. The hardness of this all-organic material is comparable to aluminum alloys, and the fracture toughness at the centimeter scale is comparable to that of wood cell walls. We show that 3D CNC-epoxy composite objects can be shaped from the gel precursors by direct-write printing, casting, and machining. The formulation, processing route, and insights on toughening mechanisms gained from our multiscale approach can be applied broadly to highly loaded nanocomposites.