科学探索|新型生物复合材料：结合了铝的硬度和骨头的韧性新型生物复合材料：结合了铝

谈到植物基材料，许多人可能会想到一些“绿色”的东西，但不是非常坚固。然而，麻省理工学院(MIT)设计的一种新复合材料并非如此，据称它像铝一样硬、像骨头一样坚韧。该材料的主要成分是纤维素纳米晶体(CNCs) 。这些是通过一个酸水解过程从构成树木细胞壁的纤维素纤维中获得。

文章图片

在纳米级层面上， CNC比凯夫拉纤维更硬、更强。因此，人们以前曾希望，如果将它们添加到现有的聚合物中，它们可以使这些聚合物变得更强。然而不幸的是，当添加的时候， CNCs往往会结成块状，而且它们只跟聚合物分子形成弱的结合。
为了解决这些问题， A. John Hart教授及其同事首先将市售的CNC粉末跟一种合成液体聚合物混合，其比例经过优化以产生一种凝胶。然后用一个超声波探针来打破在该凝胶中形成的任何CNC结块。这样做允许单个纳米晶体分散在整个凝胶中，因此它们可以跟聚合物分子形成牢固的结合。
接下来，一些凝胶通过3D打印机的喷嘴被挤出，一些则被倒入模具。在这两种情况下，一旦凝胶随后干燥和收缩，最终得到的结果是由60%至90%的CNC组成的硬固体。
此外，人们发现这种复合材料具有类似砖和砂浆的微观结构，类似于一些软体动物外壳的珍珠衬里的强度。这种结构被证明可以防止裂缝在材料中扩散。
在用这种复合材料制成的一分钱大小的薄膜上进行的测试表明，它比某些类型的骨头更强壮、更有韧性，比典型的铝合金更硬。研究人员还用这种材料制作了一个真人大小的人类牙齿模型，以此来证明它有朝一日可以用于生产牙科植入物。
不过与此同时，科学家们正在试图将复合材料在干燥时的收缩程度降到最低。这样，它将适合于制造更大的物体，而不是迄今为止生产的较小的样品。
【科学探索|新型生物复合材料：结合了铝的硬度和骨头的韧性】Hart说道：“通过在高负荷的情况下用CNC制造复合材料，我们可以赋予聚合物基材料以它们以前从未拥有的机械性能。如果我们能够用自然衍生的纤维素取代一些石油基塑料，这可以说对地球也是更好的。”