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细菌也能造防弹衣?还可实现大规模、可模塑化生产!
2021年06月15日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

细菌也能造防弹衣?还可实现大规模、可模塑化生产! 中国化工网,okmart.com

作为一种天然材料,贝壳的内层结构含有95%的碳酸钙,却拥有高于纯碳酸钙1000倍的韧性。这种高韧性主要是由于其特殊的层状“泥砖”结构。很多科学家通过冰模板法,层层自组装,热压等构建了一系列仿生贝壳结构材料中国化工网okmart.com。然而,大规模可模塑化的仿生贝壳制备方法仍然缺失。

细菌纤维素是一种天然生物材料,并且近年来越来越多地被应用于构建可再生的高性能结构材料。由于天然的细菌纤维素具有良好的纳米纤维层状结构,如何通过生物矿化的方式将无机碳酸钙材料引入其层状结构,从而构建高韧性的仿生贝壳材料一直是领域内的一个难点。

近日,荷兰代尔夫特理工大学的Marie-Eve Aubin-Tam 团队采用微生物矿化与溶剂蒸发自组装相结合的方法,制造了一种可大规模生产的层状仿生贝壳材料。该材料完全由三种不同的细菌制造,具有非常好的韧性和硬度,可无限回收,能够大规模生产,机械性能可调节,并可通过改变模具形状制造成任意产品。能够广泛应用于日常家具,防弹衣,手机支架等,可替换大部分的石油基塑料产品。该工作以“Scalable bacterial production of moldable and recyclable biomineralized cellulose with tunable mechanical properties”为题,发表在《Cell Reports Physical Science》。


研究者首先采用微生物发酵的方法得到细菌纤维素凝胶状块体,通过使用普通厨房用榨汁机将细菌纤维素层状结构破坏得到细菌素纳米纤维悬浮液,然后通过将微生物加入悬浮液,由微生物矿化得到的无机碳酸钙晶体可以直接与细菌素纳米纤维形成机械互锁结构。该矿化的复合物经溶剂蒸发后可自组装形成层状的仿生珍珠母材料。

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仿生贝壳的制备过程。(A)细菌纤维素原料的生物制备;(B)仿生贝壳的制备;(C)仿生贝壳的剖面形貌;(D)重新组装的细菌纤维素的剖面形貌;(E)未经机械破坏的原始细菌纤维素剖面形貌。

研究者通过加入镁离子或者加入另一种由微生物发酵制备而成的聚合物-聚谷氨酸钠(PGA),可以有效调控仿生贝壳中的晶体结构和微观形貌,从而得到机械性能可调节的一系列产品。

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仿生贝壳的微观晶体结构及对应剖面结构的扫描电镜图片,晶体尺寸分布及层厚度分度。(A-D)不加镁离子和PGA;(E-H)只加PGA;(I-L)同时加镁离子和PGA,且矿化溶液中钙镁离子比例为1:2;(M-P)同时加镁离子和PGA,且矿化溶液中钙镁离子比例为1:4。

拉伸测试结果表明,该材料的韧性值为22 MJ/m3, 是单纯的细菌纤维素薄膜的5倍。而材料的高韧性一方面源于所加入的聚合物PGA,另一方面则是由于其粗糙的表面结构在拉伸过程中得以伸展,从而提高了材料的断裂伸长率。

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仿生贝壳的力学性能及表面形貌。(A-B)仿生贝壳的应力应变曲线;(C)仿生贝壳的强度与韧性优化比较;(D-E)拉伸测试前后仿生贝壳的表面形貌;(F)拉伸测试之后仿生贝壳的截面形貌。

硬度测试和冲击测试结果表明,该种仿生贝壳材料具有良好的硬度和韧性。值得注意的是,该种材料可以承受无限压力而不会破损。研究者使用万能材料试验机的最大力(100 kN)对该材料进行压缩,结果表明。经过压缩之后的材料具有更大的硬度和韧性。

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仿生贝壳的硬度和冲击测试结果。(A)硬度值;(B-C)硬度测试后样品的表面形貌;(D)冲击测试设备示意图;(E-G)冲击测试实验结果;(H)冲击测试的力-时间曲线。

研究者将该仿生贝壳模塑成一个凳子结构,发现该凳子可以轻松承受人体的重量。研究者还将该凳子从10米高台扔下,结果显示凳子完好无损。

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仿生贝壳的应用实例及高空抛物结果。(A)凳子形状;(B)笔筒形状;(C)普通化学矿化方法得到的对照组从10米高空抛下,材料完全破损;(D)微生物矿化得到的仿生贝壳材料从10米高空抛下多次,材料完好无损。

小结

研究者通过微生物矿化与溶剂蒸发自组装相结合的方法,用三种不同的细菌制造了一种层状仿生贝壳材料。该材料可在承受极端压力之后依旧保持良好的硬度和韧性。由于材料中无机物含量高达60%,该材料也具有良好的阻燃性能。相比于自然界贝壳数年的形成时间,该材料所需的微生物矿化时间仅仅12小时。这种新型的仿生材料制备方法不需要消耗太多能量,而且可放大生产,所得到的的材料可以模塑成任何形状,可无限回收。因此,这种材料在防弹衣,替代韧性塑料,日常家具等领域具有广泛的应用前景。

代尔夫特理工大学Marie-Eve Aubin-Tam 课题组的博士生于奎为文章的第一作者,美国罗切斯特大学的Anne S. Meyer教授为合作者。该工作目前已申请了美国专利和欧洲专利,并在荷兰鹿特丹成立了初创公司。


标签:纺织化纤化工应用技术中心今日头条塑料塑料原料
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