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 當前人們的生活離不開塑料制品，但塑料制品的大量使用也帶來了塑料垃圾。如今塑料污染已經是人們所面臨的最嚴峻的環境問題之一，無論是基于石油化工的塑料生產，還是塑料的后處理，它都對生態和人類健康構成了巨大威脅。因此，迫切需要開發一種100%環保的塑料替代品，同時還需具備優異的機械性能和熱性能來滿足人們的使用需求。然而，設計和制造一種符合要求的可持續高性能結構材料一直是一個巨大的挑戰。

中國科學技術大學俞書宏院士等人報道了一種高強度（281 MPa）、高韌性（11.5 MPa/m2）、高剛度（20 GPa）、低熱膨脹系數（7×10-6/K）和良好熱穩定性的全天然結構材料，密度僅為?1.7 g cm-3，有望作為塑料替代品。受珍珠殼層的多尺度體系結構的啟發，作者提出了一種簡單有效的策略，用純天然原料纖維素納米纖維（CNF）和TiO2包覆云母片（TiO2-云母）制備成機械性能和熱性能優于塑料的可持續結構材料，并且具有可批量生產、可加工性和可調色性等特性，可以用于制造一系列高級、美觀和耐用的結構材料來代替塑料。該研究以題為“An all-natural bioinspired structural material for plastic replacement”的論文發表在《Nature Communications》上。

【仿生珍珠殼層的微結構】

受珍珠殼層微結構的啟發，作者在全天然材料的基礎上（纖維素納米纖維和云母片），在多尺度體系下采用了分層有序的結構設計。圖1a顯示了作者用于制備全天然仿生結構材料的有效定向組裝方法的示意圖。二維TiO2-云母通過（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES）進行預處理，促進TiO2-云母和納米纖維之間的界面相互作用。兩者充分混合并通過Ca2+交聯形成水凝膠，然后可通過定向組裝法將其直接壓入結構材料中。在定向組裝過程中，可以實現二維TiO2-云母的定向取向和一維纖維素納米纖維的均勻分布，從而形成高度有序的實體結構（圖1b-e）。這種簡單、低成本、大規模的定向組裝方法可用于直接構造具有高度有序實體結構的高性能可持續結構材料。

圖1全天然生物啟發結構材料的制造和表征

【優異的機械和熱性能】

云母的定向排列形成了高度有序的實體結構，使得該材料顯示出281 MPa的高強度和20 GPa的高剛度。而纖維素納米纖維和TiO2-云母緊密結合在一起（圖2a），可以有效緩解局部高應力（圖3c–e），賦予了材料更強的韌性。此外，該結構材料在-130至150℃的溫度范圍內幾乎沒有形變（圖3a），其熱膨脹系數在室溫比塑料低了10倍以上（圖3b）。由于良好的熱穩定性和較低的熱膨脹系數，該結構材料的儲能模量為20GPa，在25-200℃的寬泛的溫度變化下幾乎保持不變（圖3c）。直觀的說，所有典型的塑料在250°C時就已經完全軟化（圖3e，f），相比之下，全天然結構材料沒有發生任何變化。如此優異的機械和熱性能表明，作為一種新興的結構材料，該全天然生物啟發的結構材料比塑料更安全、更可靠，從而使其在可變溫度下能夠替代塑料，從而成為可持續、輕便、高性能的結構材料。

圖2實體結構及其增韌機制

圖3全天然結構材料與常規塑料的熱性能比較

【塑料將被取代？】

該結構材料的強度和模量分別比大多數塑料高出兩倍和五倍（圖4a），可作為塑料的替代品提供足夠的機械性能保證。其熱膨脹系數和熱擴散均比塑料好得多（圖4b），在高溫下不會軟化，這使得這種全天然生物啟發的結構材料在高溫或可變溫度下非常安全可靠。此外，制備該結構材料的工藝方法成本低、規模大，可實現全天然生物啟發的結構材料的批量生產（圖4c）。而且根據不同的市售原材料（例如不同的云母），作者可以制備出各種顏色可調的全天然結構材料（圖4d）。該結構材料還具有良好的加工性，可以加工成所需的形狀和尺寸（圖4e），顯示出在實際應用中代替塑料的巨大潛力。

圖4全天然生物啟發結構材料的優勢與前景