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  在過去半個(gè)世紀(jì)里，塑料制品被大規(guī)模使用在人類生活的方方面面。過去60年里人類共生產(chǎn)了大約83億噸塑料，其中約63億噸已變成塑料垃圾。而這些塑料垃圾里只有9%被回收利用，其余的被直接填埋或傾倒，造成自然環(huán)境和資源的污染 ，影響范圍之廣令人震驚（包括在地球上最深的瑪利亞那海峽底部已發(fā)現(xiàn)一次性塑料袋）。塑料最大的問題在于不易降解，絕大多數(shù)常用的塑料制品需要數(shù)百年才能完全降解，這一難題直接導(dǎo)致了越來越嚴(yán)重的白色污染。如何探索和發(fā)明一種低成本高性能的環(huán)保材料來替代塑料，仍然是人類亟待解決的一大難題。

  美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授和李騰教授團(tuán)隊(duì)的最新研究為這一難題提供了一個(gè)非常有前景的解決方案。馬里蘭大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用石墨和納米纖維素之間的二級(jí)鍵作用（例如氫鍵），實(shí)現(xiàn)了一種低成本、高性能、可完全降解的新型結(jié)構(gòu)材料（見圖1），其密度和成本與塑料相當(dāng)，但強(qiáng)度比鋼材還要高，而且可以在水中完全降解。 這一最新成果在2019年5月8日在線發(fā)表于材料科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Materials Today.

圖1.（上）基于石墨-納米纖維素的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖；（下）該復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異。其比強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所有常用金屬，甚至鈦合金。

  石墨和纖維素是地球上最豐富和低成本的材料之一。在分子水平上，兩種材料都具有高機(jī)械強(qiáng)度，高模量和低密度，是潛在的多功能復(fù)合材料理想構(gòu)件，可實(shí)現(xiàn)與金屬，碳纖維等聚合物媲美的優(yōu)良性能。但是因?yàn)槭∑g結(jié)合不良，容易滑移，很難將石墨材料加工至強(qiáng)度高于6MPa。 另一方面，雖然纖維素可以加工成強(qiáng)度高達(dá)300-500MPa的結(jié)構(gòu)材料，但纖維素溶液的固體濃度很難超過5％（即> 95％是水），這也很大程度限制了此類材料的批量生產(chǎn)。

  為解決如上挑戰(zhàn)，馬里蘭大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過使用納米纖維素作為分散劑，在水溶液中直接從商業(yè)石墨粉末中剝離出具有大橫向尺寸的數(shù)層石墨薄片，然后將得到的石墨-納米纖維素漿料大面積印刷，并澆鑄干燥成超強(qiáng) （～1GPa）和超韌 (~30.0MJ / m³)的復(fù)合材料。由于石墨和纖維素的低密度，所得超強(qiáng)超韌的復(fù)合材料的比強(qiáng)度高達(dá)~700 MPa /（g cm³），優(yōu)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料，如金屬，聚合物，甚至輕質(zhì)合金（如鈦合金）。該研究團(tuán)隊(duì)還通過熱壓制造了多層石墨-納米纖維素復(fù)合材料，并在子彈穿透實(shí)驗(yàn)里顯示很強(qiáng)的防彈性能（高出純納米纖維紙4.6倍）。此外，通過結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬和原位原子力顯微鏡拉伸試驗(yàn)（與萊斯大學(xué)樓駿教授團(tuán)隊(duì)合作），該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這一復(fù)合材料的優(yōu)異力學(xué)性能（強(qiáng)度和韌性）源于納米纖維素和石墨之間含有有二級(jí)鍵的協(xié)同效應(yīng)，即納米纖維素和石墨之間的疏水位點(diǎn)（C-H部分）和親水（氫鍵）基團(tuán)的相互作用。

  由于石墨和纖維素的天然可降解性，這項(xiàng)研究得到的超強(qiáng)超韌復(fù)合材料可以在水里被完全降解會(huì)石墨和纖維素，降解過程不需要任何化學(xué)制品，并可以在數(shù)天之內(nèi)完成降解。這一亮點(diǎn)使得石墨-納米纖維素復(fù)合材料具有取代塑料的巨大前景。

  馬里蘭大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)展示了固體濃度高達(dá)20%的石墨-納米纖維素漿料，使得復(fù)合材料大面積印刷制備工藝成為可能，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成果制備了120厘米×30厘米的復(fù)合材料樣品（見圖2）。

圖2.（上）高固體濃度石墨-納米纖維素漿料使得大面積印刷制備工藝成為可能；（下）120厘米×30厘米的復(fù)合材料樣品。

  馬里蘭大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明的這一低成本高性能并且可以完全降解的環(huán)保材料具有巨大的應(yīng)用前景，不但有可能取代塑料，而且其超高比強(qiáng)度的優(yōu)異性能也展示了其取代鋼材等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的潛力。目前馬里蘭大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)正在與Trinity Group, Inc. (北美最大的鐵路車輛制造商)合作探索該材料的商業(yè)應(yīng)用。

  馬里蘭大學(xué)胡良兵教授和李騰教授研究團(tuán)隊(duì)近年來在新一代超強(qiáng)超韌結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域頻頻取得突破性原創(chuàng)研究成果， 包括超強(qiáng)超韌的纖維素納米紙（PNAS， 2015）和超級(jí)木頭（Nature， 2018），得到全球范圍內(nèi)的關(guān)注。馬里蘭大學(xué)超級(jí)木頭的研究在2018年榮獲有“國際技術(shù)發(fā)明奧斯卡”之稱的R&D100大獎(jiǎng)。此次發(fā)表在Materials Today上的這一最新復(fù)合材料的力學(xué)性能更創(chuàng)新高，其強(qiáng)度和比強(qiáng)度甚至超過超級(jí)木頭。這一最新成果展現(xiàn)出來的技術(shù)和商業(yè)潛力巨大，因而在日前榮獲“馬里蘭大學(xué)2018年年度發(fā)明獎(jiǎng)（物理科學(xué)領(lǐng)域）”（見圖3）。

圖3.馬里蘭大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在 “馬里蘭大學(xué)2018年年度發(fā)明獎(jiǎng)”頒獎(jiǎng)典禮與頒獎(jiǎng)嘉賓合影。研究成果共同發(fā)明人（前排右起）：周玉冰博士，李騰教授，Bob Foster (Trinity)，胡良兵教授，陳朝吉博士。馬里蘭大學(xué)官員（后排右起）：校長陸道逵博士，主管科研副校長Laurie E. Locascio博士,首席創(chuàng)新官 Julie Lenzer。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702118312422