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  背景：在全球塑料污染治理與限塑政策強(qiáng)化的雙重背景下，加快可持續(xù)生物塑料的研發(fā)應(yīng)用以取代傳統(tǒng)石油基塑料，已成為緩解環(huán)境壓力、促進(jìn)綠色發(fā)展的關(guān)鍵舉措。傳統(tǒng)塑料不僅因其難降解性導(dǎo)致微塑料在生態(tài)環(huán)境中持久蓄積，威脅生物多樣性，其生產(chǎn)過程還伴隨著高能耗和有毒化學(xué)物質(zhì)排放等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。而生物塑料憑借原料可再生、工藝簡(jiǎn)單、可自然降解等優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出顯著的環(huán)保替代價(jià)值。這類材料不僅能來源于生物質(zhì)資源，還可以快速分解為環(huán)境友好型物質(zhì)，有效降低生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期負(fù)荷，更通過“生產(chǎn)-使用-降解”的閉環(huán)循環(huán)，真正實(shí)現(xiàn)了“從自然中來，回自然中去”的可持續(xù)發(fā)展理念，為破解白色污染難題提供了科學(xué)可行的路徑。

  近日，武漢大學(xué)鄧紅兵教授、趙澤副教授等人成功利用天然廢棄物生物質(zhì)資源向日葵花粉與棉花纖維，最小預(yù)處理后形成微尺度生物材料，自然干燥后兩種微尺度生物材料共組裝形成纖維-花粉層壓致密結(jié)構(gòu)的新型生物塑料。該生物塑料展現(xiàn)出卓越的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)52.22 MPa，楊氏模量達(dá)2.24 GPa，媲美絕大部分的石油基塑料和可降解塑料。還能通過水進(jìn)行水塑形和水拼接的二次加工，并且輕松實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用和完全生物降解（圖1）。該生物塑料在生產(chǎn)-使用-處置的全過程都無需復(fù)雜的化學(xué)處理或昂貴的設(shè)備，同時(shí)還兼具良好的水加工特性、循環(huán)利用性和生物降解性，展現(xiàn)了極高的環(huán)境友好性和經(jīng)濟(jì)可行性，為解決塑料污染問題提供了創(chuàng)新性解決方案。相關(guān)研究成果以“Coassembly of hybrid microscale biomatter for robust, water-processable, and sustainable bioplastics”發(fā)表于《Science Advances》。武漢大學(xué)博士生邱奕瑾和新加坡國立大學(xué)研究員張大川為文章共同第一作者，該研究得到國家自然科學(xué)基金委和中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目的支持。

圖1 微尺度生物材料共組裝生物塑料的制備、水加工性、循環(huán)利用性和可持續(xù)性。

結(jié)構(gòu)與化學(xué)相互作用：微尺度生物材料纖維與花粉微凝膠的協(xié)同效應(yīng)

  通過脫脂和熱堿處理對(duì)天然花粉進(jìn)行改性，成功將其堅(jiān)硬的外殼轉(zhuǎn)化為柔軟、中空且無致敏性的花粉微凝膠，這一過程不僅使花粉顆粒因吸水膨脹而在高濃度下發(fā)生聚集，還賦予微凝膠優(yōu)異的粘度和穩(wěn)定性（圖2A-D）。同時(shí)，天然棉花經(jīng)除雜和均質(zhì)化處理后，形成均勻分散的纖維懸浮液（圖2E-F）。當(dāng)兩者在稀釋狀態(tài)下混合時(shí)，可形成穩(wěn)定的漿料，便于刮涂工藝實(shí)現(xiàn)規(guī)�；苽洌▓D2G-H）。

  在水分蒸發(fā)過程中，花粉微凝膠受界面張力作用逐漸被壓縮成平行排列的層狀結(jié)構(gòu)，而纖維則隨機(jī)分布于其中。完全干燥后，微凝膠折疊成緊密堆疊的片層，并被纖維網(wǎng)絡(luò)牢固包裹，最終形成纖維-花粉層壓復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖2I-L）。此外，花粉微凝膠表面的羧基（-COOH）和羥基（-OH）與纖維素羥基（-OH）之間形成分子間氫鍵，使花粉（綠色）作為連續(xù)基質(zhì)緊密填充于纖維（紅色）構(gòu)建的三維網(wǎng)絡(luò)骨架中（圖2M-O），這種多尺度相互作用賦予材料優(yōu)異的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖2 纖維和花粉微凝膠之間的結(jié)構(gòu)和化學(xué)相互作用。

生物塑料的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能分析

  該生物塑料巧妙利用了兩種微尺度生物材料的天然結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，通過相互交織形成了一個(gè)穩(wěn)定且致密的纖維-花粉層壓結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅賦予了生物塑料良好的光學(xué)性質(zhì)，同時(shí)保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和致密性（圖3A-F）。力學(xué)性能測(cè)試表明，含有30%纖維的樣品表現(xiàn)出了卓越的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到了52.22 MPa，楊氏模量為2.24 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率為6.15%。這些數(shù)值表明，該生物塑料的力學(xué)性能不僅與廣泛使用的熱塑性塑料和生物可降解塑料相當(dāng)，甚至在某些方面更為優(yōu)越（圖3G-I）。此外，生物塑料的拉伸斷裂表面相對(duì)較為平整，這一特性歸因于三維纖維網(wǎng)絡(luò)作為剛性骨架，通過相互纏結(jié)形成有效的應(yīng)力傳遞路徑，同時(shí)，花粉片層基質(zhì)通過高密度的氫鍵作用與纖維界面形成強(qiáng)結(jié)合，有效地填充并連接了纖維網(wǎng)絡(luò)（圖3J-L）。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了生物塑料整體性能的提升，使材料在保持高強(qiáng)度的同時(shí)還獲得良好的韌性，為其在實(shí)際應(yīng)用提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖3 生物塑料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能

通過水輔助成型和粘貼，實(shí)現(xiàn)環(huán)保可塑性

  在傳統(tǒng)商業(yè)塑料的加工過程中，通常需要依賴高溫運(yùn)行的能源密集型復(fù)雜設(shè)備，然而，在本研究中采用了一種更為環(huán)保且節(jié)能的方法來加工生物塑料。具體而言，通過簡(jiǎn)單的浸泡、固定和干燥步驟，成功地將生物塑料中的纖維-花粉層壓致密結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)重新組裝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其形狀的有效塑形（圖4A-B）。此外，還探索了一種創(chuàng)新的水輔助粘貼技術(shù)，僅使用水即可將兩片獨(dú)立的生物塑料牢固地粘合在一起。這一過程與成型過程類似，生物塑料的浸水部分沿連接界面能夠自適應(yīng)并重新組裝，待水分蒸發(fā)后，兩個(gè)表面便能成功相互嵌入（圖4C-F）。值得注意的是，經(jīng)過這種水輔助粘貼處理后的生物塑料，其力學(xué)性能依然保持在較高水平（圖4G-I）。這表明，水輔助粘貼不僅有效地保留了天然材料的原有性能，還為生物塑料的幾何和功能多樣性開辟了新的可能性，使其在可持續(xù)材料領(lǐng)域展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景。

圖4 生物塑料的水輔助塑形和拼接

多維度和多功能的應(yīng)用

  通過重復(fù)的浸泡和干燥過程，這種生物塑料能夠被可逆地加工成多種不同的形狀，即使經(jīng)過多次水塑循環(huán)，其機(jī)械強(qiáng)度也并未減弱，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)和成型（圖5A-C）。水粘貼技術(shù)也能夠?qū)⒈馄降纳锼芰限D(zhuǎn)化為復(fù)雜的三維形狀，如莫比烏斯帶、蝴蝶結(jié)和花朵（圖5D）。此外，水粘貼還可以用于連接不同的水成型生物塑料部件，成功仿生自然界的石斛螺旋等復(fù)雜形態(tài)（圖5E）。為考慮實(shí)際應(yīng)用性，探索了不同相對(duì)濕度（RH）水平下（30%、60%和90%）的機(jī)械性能，雖然濕度越高其力學(xué)強(qiáng)度略有下降，但在RH90%時(shí)，其拉伸強(qiáng)度值（約37 MPa）仍與常見塑料相當(dāng)（圖5F）�；陧樞蛩苄魏退唇蛹夹g(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)方形承重結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)化的生物塑料僅重0.1克，卻能在不同濕度條件下承受高達(dá)1000克的重量（圖5G）。此外，水粘接技術(shù)還可以通過堆疊多層薄而柔韌的生物塑料，構(gòu)建出厚實(shí)且剛性的生物塑料，從而設(shè)計(jì)出特定的機(jī)械超材料，例如在外部力作用下能夠在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間切換的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)（圖5H-K）。這種生物塑料的多種幾何形狀的便捷轉(zhuǎn)換和組合，以及其獨(dú)特的力學(xué)性能，使其在先進(jìn)功能應(yīng)用方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，超越了傳統(tǒng)生物塑料在簡(jiǎn)單包裝和容器方面的應(yīng)用。

圖5 水任意加工技術(shù)的多維度和多功能應(yīng)用

環(huán)境影響、可回收性和可生物降解性

  生命周期評(píng)估（LCA）研究表明，該生物塑料在全球變暖潛力、化石資源消耗和顆粒物排放等關(guān)鍵環(huán)境指標(biāo)上均優(yōu)于傳統(tǒng)石油基塑料及部分可生物降解塑料。此外，其獨(dú)特的可循環(huán)性進(jìn)一步提升了可持續(xù)性優(yōu)勢(shì)——材料可通過重新浸泡塑形或加水?dāng)嚢柙勹T造實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)利用，而廢棄后在自然土壤中6個(gè)月內(nèi)即可完全降解，真正實(shí)現(xiàn)了從生產(chǎn)、使用到降解的閉環(huán)循環(huán)。

圖6 生物塑料的環(huán)境影響、可回收性和可生物降解性

  結(jié)論：本研究提出了一種創(chuàng)新的共組裝策略，通過充分利用低價(jià)值微尺度生物材料的固有特性，成功構(gòu)建了具有纖維-花粉層壓致密結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)型可持續(xù)生物塑料。該材料的關(guān)鍵突破在于其獨(dú)特的水響應(yīng)特性——通過水化誘導(dǎo)可逆地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)開合與塑性重排，從而賦予材料可持續(xù)的水加工性能。此外，通過精確調(diào)控單元幾何形狀與剛度參數(shù)，可靈活制備多種維度和功能化結(jié)構(gòu)。該生物塑料兼具卓越的機(jī)械強(qiáng)度、多功能適應(yīng)性、低能耗生產(chǎn)、易加工性及高效循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備出色的環(huán)保特性，有望成為減少塑料污染并推動(dòng)循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)的理想替代材料。該技術(shù)還具有顯著的普適性，可拓展至多種天然纖維（亞麻、大麻、蠶絲）和生物微粒（真菌孢子、藻類、細(xì)胞碎片）的組裝工程。作為全生物基材料的突破性進(jìn)展，不僅實(shí)現(xiàn)了材料性能與可持續(xù)性的協(xié)同優(yōu)化，更建立了可產(chǎn)業(yè)化的環(huán)保材料制造平臺(tái)，為替代傳統(tǒng)塑料提供了切實(shí)可行的技術(shù)路徑，對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)下的材料產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型具有重要戰(zhàn)略意義。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr1596