“定向變形組裝”新方法向利用壓力將小顆粒排列在生物基聚合物中。在壓力下，材料的厚度減小並且顆粒對齊。是高性能仿生新材料的規模化生產道路上的重要探索，為生物基仿生新材料的研發、工業生產和套用提供了一條新的思路和途徑，對於促進生物基仿生新材料實際套用具有重要的意義。
基本介紹
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定義
在受限體系中，保持其他方向尺寸不變，定向改變一個方向的尺寸，以實現預期的有序結構設計。
特點介紹
“定向變形組裝”克服了傳統的仿生材料製備條件和加工手段的限制，通過簡單可擴大的方法，實現了精巧的仿生結構設計，是高性能仿生新材料的規模化生產道路上的重要探索。定向變形組裝是利用壓力將小顆粒排列在生物基聚合物中的過程。在壓力下，材料的厚度減小並且顆粒對齊。纖維素基聚合物填充了垂直排列的礦物顆粒之間的間隙，形成了可與磚牆媲美的微觀結構。這種實體結構使材料具有出色的機械性能，優於許多高性能塑膠，當普通塑膠變脆或變軟時，其機械性能在溫度下也保持穩定。
套用
塑膠製品給現代生活帶來極大便利的同時，也正造成嚴重的環境問題，甚至會以微塑膠等形式，通過食物鏈和大氣循環回到人類的身邊，進入人類的體內，極有可能對人體造成嚴重的損傷。這一問題已經迫在眉睫，儘管沒有解決這些複雜環境問題的靈丹妙藥，但是開發一系列可持續的高性能結構材料，以部分替代石油基塑膠，是該問題最有希望的解決方案之一。現有的生物基可持續結構材料都受到機械性能較差或製造過程的過於繁瑣的限制，這些因素從成本和生產規模上制約了這類材料的套用。因此，引入先進的仿生結構設計來製造新型的可持續高性能結構材料將可以極大地提高這類材料的性能，拓寬其套用範圍，加速可持續材料替代不可降解塑膠的進程。
為此，中國科學技術大學俞書宏院士團隊巧妙地結合仿生結構設計和高性能生物基結構單元，發展了一種新型材料製造方法，稱為“定向變形組裝”，可以實現具有仿生結構的高性能可持續材料的大規模製備。通過這種定向變形組裝方法，團隊成功地將纖維素納米纖維（CNF）和二氧化鈦包覆的雲母片（TiO2-Mica）複合製備了具有仿生結構的高性能可持續結構材料。所獲得的結構材料具有比石油基塑膠更好的機械和熱性能，有望成為石油基塑膠的強大競爭者。可大規模生產，良好的可加工性和豐富多變的色彩和光澤使其可以作為一種更加先進，美觀和耐用的結構材料來代替塑膠，套用領域廣泛，例如可以用於高端個人電子設備的結構支撐。相關研究成果於2020年11月3日以“An all-natural bioinspired structuralmaterial for plastic replacement”為題發表在《自然通訊》上（Nature Communications 2020, 11, 5401）
媒體關注
《人民日報》官方微博以“我國科學家研製出有望替代塑膠的仿生新材料”為題進行評論，報導了中國科學技術大學俞書宏院士團隊運用仿生結構設計理念，發展出一種被稱為“定向變形組裝”的新材料製造方法，將纖維素納米纖維和二氧化鈦包覆的雲母片複合，製備出具有仿生結構的高性能可持續結構材料。
《新華網》以“我國科學家研製出有望替代塑膠的仿生新材料”為題進行專文評論報導並主持微博話題。
《科學網》以中國科學技術大學研製出生物新材料有助終結“白色污染”為題專文評論，指出定向變形組裝即在壓力的作用下，研究人員使生物基聚合物材料的厚度減小，顆粒排列成行。纖維素基聚合物填補了垂直排列的礦物顆粒之間的空隙，形成了與磚牆相當的微結構。這種結構使材料具有優異的機械性能，在-130℃至150℃的溫度範圍內，其尺寸幾乎沒有變化，優於許多高性能塑膠。同時，其儲能模量也優於塑膠。科研人員通過製造手機殼，證明了該工藝可以擴展，而且該材料易於加工。
《Nature自然科研》以“生產高強度的生物基材料替代塑膠”為題進行專文評論。
《中國新聞網》以“中國科學家研製出有望替代塑膠的仿生新材料”為題進行專文評論，高度評價了中國科學家研發出一種生產高強度生物基材料的製造方法，這種材料可以作為塑膠的替代品。
中華人民共和國商務部以“中國科學家研製出有望替代塑膠的仿生新材料”為題進行專文評論。
全球著名的科技網站PHYS.ORG撰寫題為“Tough,strong and heat-enduring: Bioinspired material to replace plastics”專文評價稱：“這種仿生結構材料輕質高強韌、熱穩定性好，有望取代塑膠，解決塑膠污染問題”。
NatureAsia撰寫題為“Materials:Making strong bio-based replacements for plastics”專文評價稱：“開發這種工藝對於促進生物基材料的工業套用非常重要”。
世界十大科學網站之一，致力於評論研究不同學科的“宇宙：萬物科學”（Cosmos: the Science of Everything）科學網站，發表了題為“尋找塑膠更好的方法—中國科學家推出了基於生物的製造方法”新聞，高度評價了這種受生物啟發的結構材料，比石油基塑膠具有更好的機械和熱性能，有望成為替代塑膠的高性能，環保材料。
