南京林大蒋少华团队 | 蜘蛛丝仿生制备高强韧全纤维素材料最新成果

该仿生设计带来了材料性能的全面提升。拉伸强度为479.51 MPa，韧性达14.85 MJ/m³，分别是天然木材的6.3倍和15.7倍，成功兼顾了高强与高韧。此外，材料的弯曲性能（强度216.49 MPa，模量23.02 GPa）和表面硬度也大幅提升，证明了其全面的机械性能增强。

HEODW的综合性能超越其他全纤维素材料，其比强度（强度与密度之比）甚至高于不锈钢、钛合金等常用金属，展现出作为轻质结构材料的潜力。通过进一步的表征和理论分析，进一步阐释了高性能的来源：仿生构建的动态亚胺键网络在受力时可逆断裂与重组，此过程能有效耗散能量，从而在分子层面实现了类似蜘蛛丝的能量缓冲机制，这是其突破传统材料性能矛盾的关键。

图4 （a）NW，DW，HEO1:16DW，HEO1:8DW和HEO1:4DW的拉伸性能曲线。（b）由拉伸应力-应变曲线得出各自的拉伸强度，（c）杨氏模量和（d）韧性值。（e）不同材料强度和韧性的比较。（f）HEODW与不锈钢304（SS 304）、钴基合金（CA-605）、高温合金718（S-718）、钛合金Ti-5Al-2.5Sn（Ti-2.5Sn）、钛合金Ti-8Al-1V-1Mo（Ti-1V-1Mo）、铝合金7075（Al-7075）等常用合金材料的比强度比较。39-41（g）NW、DW、HEO1:16DW，HEO1:8DW和HEO1:4DW的弯曲强度和模量，（h）邵氏硬度。（j）微晶纤维素、2，3-二醛纤维素、动态共价网络的静电势图（j）和HOMO-LUMO能级（k）。（l）HEODW强韧性改善机理。

图5展示了该仿生木材在高强度和高韧性同时的多功能应用潜力。

材料中丰富的氨基成为进一步功能化的关键活性位点。通过化学气相沉积，甲基三甲氧基硅烷（MTMS）与这些氨基反应，在纤维素表面及孔隙内原位构建了疏水的聚硅氧烷网络。这一改性带来了显著的多功能提升：材料表面获得疏水性，水接触角显著增大，能有效抵御并轻松清洁多种液体污染物（如染料、饮料）。

MTMS网络强化了细胞壁并封闭了毛细孔道，使材料的抗胀缩效率显著提高，浸出率降低，在潮湿环境中尺寸更稳定。尽管硅烷层的引入轻微干扰了分子间作用力，导致力学性能有所下降，但其整体强度与模量仍远高于天然木材，满足了在苛刻环境中作为结构材料的基本要求。氨基官能团的引入还为材料开辟了通往高强度、高韧性、多功能一体化应用的路径。

图5 Si-EODW在横切面（a）和纵切面（b）的SEM图像。（c）Si-EODW中不同污染物在300 s内的光学图像变化。（d，e）静态水接触角测量仪对Si-EODW样品进行测试。EODW、HEODW、Si-EODW、HSi-EODW的水蒸气吸收曲线（f）、防膨率（g）和浸出率（h）。（i）HSi-EODW的拉伸强度（TS）、杨氏模量（YM）、弯曲强度（FS）和弯曲模量（FM）的强度图。（j）MTMS的化学接枝及超疏水机理。

研究提出了一种具有动态共价网络的仿生全纤维素材料（HEODW）。通过选择性氧化纤维素及希夫碱与乙烯二胺反应，在木细胞壁中构建了动态亚胺键网络。该网络可在应力集中区发生可逆断裂和复合，并通过有限分子滑移实现高效的能量耗散。

HEODW 展现出优异的机械性能：抗拉强度为 479.51MPa，杨氏模量为 17.61GPa，韧性为 14.85 MJ/m³，分别是天然木材的 6.3倍、4.6倍和 15.7倍。弯曲强度和弯曲模量分别达到 216.49MPa和 23.02GPa。此外，化学气相沉积有机硅烷修饰使材料具有持久的疏水性，扩展了其在潮湿环境中的应用。

本研究展示了一种可行的蜘蛛丝式策略，能够突破全纤维素材料强度与韧性的权衡，为高性能结构木材复合材料的发展提供可持续的路径。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c10804