用細菌制造出高性能絕緣納米紙

中國科學技術大學俞書宏院士團隊研制出了一種高性能纖維素基納米紙材料，其在極端條件下仍可保持優異的機械和電絕緣性能。相關成果日前發表于《先進材料》。

復合納米紙的的制備與結構示意圖 中國科大供圖

隨著人類對南極洲、月球和火星等極端環境探索的深入，不斷出現的極端環境條件，包括強紫外線環境、原子氧和高低溫交替環境等，已經成為今后深入探索的主要障礙。

在這些極端環境下，材料的物理化學特性會發生變化，嚴重時甚至會導致重要設備和裝置的損壞。在傳統材料當中，金屬和陶瓷本身具有出色的機械性能和對極端環境的耐受性，但金屬材料面臨密度過高重量過大的問題，而陶瓷材料則面臨脆性和難以加工等問題。聚合物具有輕質和可塑的特點，但目前大多數聚合物基復合材料在極端環境長期服役會產生高溫軟化和低溫脆性等問題。因此，設計和制備一種能長期在極端環境下服役的高性能防護材料是材料領域面臨的難題之一。

在大自然中，珍珠母的“磚-泥”結構為其提供了極好的力學性能。近年來，這種精巧的有序結構的其他功能(如隔水、隔氧以及對能量場的均勻分散等)也逐漸成為研究熱點。

受天然珍珠母“磚-泥”結構的啟發，在此次工作中，研究人員首先采用氣溶膠輔助生物合成方法，利用細菌產出的纖維素納米纖維將分散的合成云母納米片均勻而緊密地纏結得到復合水凝膠，然后通過熱壓的方式，得到最終的仿珍珠母結構的納米紙材料。

得益于納米紙內部精細的“磚-泥”結構和連續三維網絡，該納米紙表現出高強度、高模量、高韌性、可折疊性和抗彎曲疲勞性等優異的力學性能。同時，材料內部的“磚-泥”結構充分發揮了云母的高介電強度，從而賦予了該納米紙較高的電擊穿強度。與純纖維素納米紙相比，該復合納米紙的耐電暈壽命顯著提高，甚至超過了商用聚酰亞胺薄膜。

此外，該項研究報道的高性能纖維素基納米紙在高低溫交替、紫外線和原子氧等極端條件下，仍表現出優異的綜合性能，這為未來人們對極端環境的探索提供了一個極好的防護材料選擇。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1002/adma.202300241