“细菌造”纳米纸经得起极端环境考验

本文转自：科技日报

【寻材问料】

◎本报记者 吴长锋

4月18日，科技日报记者从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏院士、管庆方副研究员等科研人员，利用合成云母和细菌纤维素，合成了一种具有优异机械和电绝缘性能，对极端条件具有良好耐受性的纳米纸张材料，该材料表现出优异的交替高温和低温耐受性、抗紫外线和原子氧特性。这项研究成果日前发表在《先进材料》上。

这种纳米纸张材料，具有较高的抗拉强度、优异的可折叠性、抗弯曲疲劳性、较高的电击穿强度。与纤维素纳米材料相比，这种纳米纸张材料的电晕阻力寿命显著提高，甚至超过了商用聚酰亚胺薄膜。

如果把地球上的功能材料应用于火星和月球等极端环境，其在应用过程中的可靠性取决于其对极端环境的耐受性。通常，在这些极端环境中，一些不利因素包括紫外线、原子氧和高低温交替等，容易导致材料的物理化学性质发生变化，更有甚者会导致重要设备失效。

为了解决这些挑战，人们使用和开发了各种基于金属、陶瓷和聚合物的材料。其中，金属和陶瓷具有优异的力学性能和对极端环境的容忍度。但金属基材料同陶瓷基材料相比密度高；而陶瓷基材料也存在因太脆而不能制备成特定形状的缺点；聚合物虽然具备轻质和可塑性的优点，但大多数聚合物基复合材料存在着高温耐软化性能差、低温脆性、耐热冲击性能差等问题。

研究人员介绍，他们选用的细菌纤维素，具有高纯度、高结晶度、高弹性模量和天然三维网络结构。研究人员先将细菌纤维素的菌株木马孢杆菌引入固体培养基表面，为细菌纤维素的生长提供稳定的培养基—空气界面。在随后的细菌纤维素生长过程中，他们通过气溶胶辅助给料系统，为复合水凝胶的形成提供了条件。最后，通过热压，他们将得到的复合水凝胶组装成致密的云母纳米堆，得到了纳米纸张材料，其机械和介质强度性能优于大多数商业云母纸。

为了验证该材料对极高温和极低温交替环境的耐受性，研究人员引入了快速热冲击试验。他们将该纳米纸张材料在烤箱和液氮之间来回交替，如此一来，材料被快速加热到120℃，然后冷却到-196℃。随后，研究人员测试了该材料在20次热冲击循环后的力学性能。在热冲击后，该材料的力学性能没有明显下降，强度保持在初始值的98%。

为了进一步测试该材料对紫外线的抵抗力，他们将其在强紫外线照射下暴露216小时，力学性能和电学性能检测结果表明，该材料仍保持了90%的介电强度和99%的抗拉强度。此外，这种纳米纸张材料对原子氧也具有良好的耐受性，在原子氧大通量辐照6小时后，该材料的介电强度仍保持在96%。

研究人员表示，这项研究将为未来对极端环境的探索提供一种材料选择。