日前，這個(gè)難題終于被浙江大學(xué)的科研人員破解。他們得到的材料不僅堅(jiān)硬、富有韌性，而且可連續(xù)化制備。用它織成的衣服可以防輻射和靜電，由于新型纖維質(zhì)量輕，還可做成更輕便的防彈衣。
這一研究成果近日發(fā)表在《自然》旗下的網(wǎng)絡(luò)開放期刊《科學(xué)報(bào)告》上。
貝殼中有“灰”與“磚”
“貝殼材料的特性，主要?dú)w結(jié)于珍珠層特殊的‘磚灰結(jié)構(gòu)’。”此項(xiàng)研究的帶頭人、浙江大學(xué)高分子系教授高超解釋說(shuō)，像砌墻時(shí)要用到磚和水泥灰一樣，貝殼的珍珠層就像是一層磚壘一層水泥灰有序排列組合而成，這樣的結(jié)構(gòu)特別堅(jiān)固。同時(shí)，珍珠層又由一層無(wú)機(jī)物碳酸鈣夾一層有機(jī)物生物高分子組成，有機(jī)物的參與讓貝殼珍珠層有了韌性。
據(jù)高超介紹，以前做的仿貝殼材料，大多數(shù)功能很單一，要么夠硬但韌性不好，要么韌性好卻強(qiáng)度不高。“最關(guān)鍵的是，即使研制出既硬又韌的復(fù)合材料，也可能發(fā)生有機(jī)—無(wú)機(jī)材料之間的排斥分離現(xiàn)象，導(dǎo)致材料不穩(wěn)定。”
此次研究人員研制的仿貝殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料卻不會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題。與自然界的貝殼相比，這種材料甚至還具有更好的柔韌性和超強(qiáng)的抗腐蝕能力，能在酸、堿、鹽等條件下維持原有的優(yōu)異性能。
液晶石墨烯打破仿生局限
在高超看來(lái)，前人之所以無(wú)法連續(xù)化制備出仿貝殼材料，原因在于他們大多將視角局限于對(duì)微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的模仿。“前人一般用氧化鋁、黏土納米片等無(wú)機(jī)物作為‘磚塊’。由于這些物質(zhì)一般較厚，溶解性不好，只能采用過(guò)濾或?qū)盈B層組裝等辦法，做出厘米級(jí)的薄膜樣品。”
此次能突破這一局限，“殺手锏”在于對(duì)石墨烯的全新應(yīng)用。
石墨烯是2004年才被發(fā)現(xiàn)的一種超薄二維納米材料，具有超強(qiáng)的力學(xué)性質(zhì)和良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性。“我們?cè)谂既恢邪l(fā)現(xiàn)，如果經(jīng)歷某些改造，石墨烯的一些特性與貝殼中的組成單元很類似，甚至還要優(yōu)越。”該課題組博士生許震介紹說(shuō)。
2011年，高超課題組成功地用納米級(jí)氧化石墨烯片紡制成長(zhǎng)達(dá)數(shù)米的宏觀石墨烯纖維。“在這之前，人們很難想象如何將不足一納米厚的石墨烯片變成宏觀纖維材料。”高超說(shuō)，這一成果的關(guān)鍵在于他們發(fā)現(xiàn)并運(yùn)用了氧化石墨烯的液晶性。
所謂“液晶性”，是指當(dāng)氧化石墨烯在水等溶劑中的濃度超過(guò)某一臨界值時(shí)，就會(huì)自發(fā)排列成有序的結(jié)構(gòu)。正是這種有序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使研究人員得到的液晶分散液可很好地用于纖維紡制。
有機(jī)高分子化解連續(xù)制備難題
找到石墨烯作為人工貝殼技術(shù)的突破點(diǎn)后，研究人員又開始思考加工效率問(wèn)題。由于“液晶性”是基于溶解性較好的氧化石墨烯，如何實(shí)現(xiàn)石墨烯的連續(xù)加工依然是個(gè)難題。
為解決這一問(wèn)題，他們想到了有機(jī)高分子。
這一突發(fā)奇想，給課題組帶來(lái)了巨大的驚喜。博士生胡曉珍說(shuō)：“這些‘改造后’的石墨烯就像一塊塊自帶黏合功能的‘磚塊’，更容易形成液晶。另外，有了有機(jī)物的參與，由液晶紡絲而來(lái)的纖維材料有了超高的強(qiáng)度和韌性，這樣就解決了20多年來(lái)材料科學(xué)界無(wú)法連續(xù)化制備仿貝殼材料的難題。”
目前，課題組已能制成比頭發(fā)絲還細(xì)的仿貝殼纖維。“我們這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用面很廣，例如可制成功能性的織物。大家穿上了用仿貝殼纖維材料做的衣服后，不僅能防靜電，還可以防輻射，同時(shí)又耐化學(xué)腐蝕。”許震說(shuō)。
也許在未來(lái)，人們真的可以像蜘蛛俠那樣，噴出液體迅速凝結(jié)成強(qiáng)韌的新型纖維，飄蕩在城市大樓之間。
