创新背景

一棵树最强壮的部分不在于它的树干或它庞大的根部，而在于它微观细胞的壁。

单个木细胞壁由纤维素纤维构成，纤维素是自然界最丰富的聚合物，也是所有植物和藻类的主要结构成分。每根纤维内都有增强纤维素纳米晶体（CNC），它们是排列成近乎完美的晶体图案的有机聚合物链。在纳米尺度上，CNC（纤维素纳米晶体）比美国杜邦公司研制的Kevlar纤维材料更强，更硬。如果晶体可以大量加工成材料，那么CNC可以成为更坚固，更可持续，天然衍生塑料的途径。

创新过程

麻省理工学院的研究团队研制了一种主要由纤维素纳米晶体与少量合成聚合物混合而成的复合材料。有机晶体约占材料的60%至90%， 这是迄今为止复合材料中CNC（纤维素纳米晶体）的最高比例。这项研究成果在2022年2月10日发表于Cellulose杂志。

研究人员发现，纤维素基复合材料比某些类型的骨骼更坚固，更坚韧，比典型的铝合金更硬。该材料具有类似于一些软体动物坚硬的内壳珍珠层的实体微观结构。

该团队发现了基于CNC（纤维素纳米晶体）的复合材料的配方，他们可以使用3D打印和传统铸造来制造。他们将复合材料打印并铸造成硬币厚度的薄膜，用于测试材料的强度和硬度。这种纤维素基复合材料未来有可能用来制造牙科植入物，或者更坚固，更坚韧，更可持续的塑料制品。

研制过程

每年，从植物的树皮，木材或叶子中合成超过100亿吨纤维素。这种纤维素的大部分用于制造纸张和纺织品，而其中一部分被加工成粉末，用于食品增稠剂和化妆品。

近年来，科学家们探索了纤维素纳米晶体的用途，纤维素纳米晶体可以通过酸水解从纤维素纤维中提取。特别坚固的晶体可以用作聚合物基材料的天然增强材料。但研究人员只能掺入低比例的CNC，因为晶体往往会结块，并且仅与聚合物分子微弱结合。

研究团队开发了一种具有高比例CNC的复合材料，它们可以塑造成坚固耐用的形式。
他们首先将合成聚合物溶液与市售的CNC粉末混合。该团队确定了将溶液转化为凝胶的CNC和聚合物的比例，其稠度可以通过3D打印机的喷嘴进料或倒入要铸造的模具中。他们使用超声波探针分解凝胶中的任何纤维素团块，使分散的纤维素更有可能与聚合物分子形成强键。

他们通过3D打印机将一些凝胶送入，并将其余部分倒入模具中进行铸造。然后，他们让打印的样品干燥。在此过程中，材料收缩，留下主要由纤维素纳米晶体组成的固体复合材料。

研究团队采用了木材的最佳成分——纤维素纳米晶体，重建它们以达到一种新的复合材料。

坚韧的裂缝

有趣的是，当研究小组在显微镜下检查复合材料的结构时，他们观察到纤维素颗粒沉降成实体图案，类似于珍珠层的结构。在珍珠层中，这种锯齿形的微观结构阻止裂纹直接穿过材料，而这种新纤维素复合材料也是如此。

他们测试了材料的抗裂性，使用工具首先启动纳米级和微米级裂纹。他们发现，在多个尺度上，复合材料的纤维素颗粒排列可以防止裂纹分裂材料。这种抗塑性变形能力使复合材料在传统塑料和金属之间的边界处具有硬度和刚度。

该团队正在寻找方法能够最大限度地减少凝胶在干燥时的收缩。虽然在打印小物体时收缩不是太大问题，但随着复合材料的干燥，任何较大的物体都可能弯曲或破裂。

创新关键点

来自麻省理工的研究团队将合成聚合物溶液与纤维素纳米晶体粉末混合，确定了将溶液转化成凝胶的比例，研制了一种具有高比例CNC（纤维素纳米晶体）的复合材料。这种新型的复合材料比典型的铝合金更硬，具有类似于珍珠层的坚韧结构。未来将可能用于研发更坚韧、更具有可持续性的塑料制品，为研制可持续性塑料奠定了基础。