双碳时代下大受追捧的新材料 这里是它的前沿进展梳理

在“双碳”等政策的推动下，生物基材料得到了前所未有的关注。根据鸿研公众号整理，多家生物基企业获得了融资，总融资额十数亿人民币。这里，我们为大家整理生物基材料的前沿进展。

1、生物矿化塑料

开发环保塑料对于确保可持续发展至关重要。与源自石化产品的聚合物塑料相比，生物无机矿物是地壳中含量最丰富的物质，对环境无害。然而，这些矿物的脆性限制了它们作为塑料的应用。在这里，浙江大学唐睿康课题组报道了一种生物矿化塑料：磷酸钙（CaP，一种典型的地质和生物矿物）低聚物在聚乙烯醇和海藻酸钠的调控下被用于仿生矿化，得到具有周期性结构缺陷的柔性CaP纳米纤维。CaP纳米纤维的组装产生了分层结构的块状杂化矿物（HM），它克服了矿物固有的脆性并表现出可塑性特征。HM表现出比经典聚合物塑料更好的硬度和热稳定性。值得注意的是，HM是环保且可降解的，因为它可以参与地质循环。这些优势表明这种材料是一种最佳的塑料替代品。相关研究以“A Flexible and Degradable Hybrid Mineral as a Plastic Substitute”为题目，发表在AM上。DOI: 10.1002/adma.202107523

2、基于含核碱基聚合物的超强粘合剂/生物塑料

由于对环境的日益关注和有限化石资源的快速消耗，从生物基原料中开发新型聚合物材料是非常必要和紧迫的。然而，由于这些生物基原料制成的高分子材料的宏观性能很少可以与石油基原料相媲美，限制了它们的广泛应用。安徽农业大学汪钟凯、华赞和中国科学技术大学刘光明等人，通过利用互补的氢键相互作用，开发了具有突出韧性和粘附性能的含核碱基聚合物。与单一均聚物相比，均聚物的超分子混合物由于分子间的互补氢键作用表现出更好的能量耗散和阻尼能力。除了优异的力学性能外，核碱基独特的界面粘接倾向使聚合物材料具有高达16.2 MPa的超高粘接强度，可作为超强胶粘剂使用。因此，作者通过合理设计分子间和分子内氢键网络提供了一种有效的仿生途径来构建稳健的生物基材料。相关研究以“Rational Design of Bioinspired Nucleobase-Containing Polymers as Tough Bioplastics and Ultra-Strong Adhesives”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202112741。

3、用于柔性超级电容器的生物废物衍生电极和电解质材料

储能设备开发的主要挑战之一是与清洁技术相协调的材料选择。在此，研究人员从啤酒残渣中提取的纤维素纳米晶体 (CNC) 在与铝离子物理交联后用作透明水凝胶电解质。水凝胶电解质 (Al-CNC) 具有超高离子电导率（~24.9 mS cm^-1）、高透光率（在550 nm波长下~92.9%）、出色的压缩强度（在70%应变下3.9 MPa）和耐受各种变形。同时，动物骨生物废料用于合成多孔碳（PC）电极，可有效提供出色的比电容（~804 F g^-1 at 1 A g^-1）。通过将Al-CNC水凝胶夹在两个骨衍生PC电极 (PC//Al-CNC//PC) 之间来组装完全可再生的柔性对称超级电容器。获得的柔性器件显示出高能量密度（18.2 Wh kg^-1，1 425 W kg^-1）、出色的功率密度（20 833 W kg^-1，7.1 Wh kg^-1）。在5 A g^-1下6 000次循环后，电容保持率约为92%。相关研究以“Biowaste-derived electrode and electrolyte materials for flexible supercapacitors”为题目，发表在Chemical Engineering Journal上。DOI:10.1016/j.cej.2022.135058

4、光敏性细菌纤维素并用于皮肤修复

皮肤损伤感染是对全球人类健康的一大威胁。目前临床治疗伤口细菌感染的方法是采用基于抗生素的伤口敷料，但是它的成本高，效率低，并可能导致抗生素耐药性。细菌纤维素(BC)因其三维相干纳米纤维网络结构，具有超高孔隙度和保水能力，特别适用于伤口敷料。新加坡国立大学刘斌教授团队探索了一种基于醋酸菌的光敏性细菌纤维素直接合成方法，通过原位细菌代谢来制备光敏剂（PSs）嫁接的BC，有出色的荧光和光触发光动力杀菌活性。这种活性创面敷料具有微生物代谢光控杀菌活性，可用于皮肤伤口的修复。相关研究以“Direct Synthesis of Photosensitizable Bacterial Cellulose as Engineered Living Material for Skin Wound Repair”为题目，发表在AM上。DOI:10.1002/adma.202109010。

5、快速解构纤维素聚集体制备绿色多功能凝胶

天然纤维素是最丰富的环保资源，是实现碳中和以及可持续发展的有前途的材料。在这里，作者通过微波 (MW) 辅助离子液体 (IL) 工程将纤维素聚集体超快速完整地解构为纤维素分子。MW辐射触发IL离子的高频摆动，导致超快加热行为；同时，IL离子的剧烈旋转物理攻击纤维素聚集体，加速它们的解构。与传统技术（>2400 s，非完全解构）相比，MW-IL策略能够实现纤维素的超快和完全解构（~240 s）。解构后的纤维素可以很容易地开发成具有高透明性、离子导电性、可注射性和可重复使用优势的绿色多功能凝胶，可准确、连续地检测人体运动。MW-IL 触发的纤维素解构为超快速、经济高效地制备高质量纤维素材料开辟了一个有前途的方向，这些材料可用于先进的应用，包括柔性电子、微/纳米流体和能量存储和转换。相关研究以“Sustainable, superfast deconstruction of natural cellulosic aggregates toward intrinsically green, multifunctional gel”为题目，发表在Chemical Engineering Journal上。DOI:10.1016/j.cej.2022.134856。

6、多功能高韧性、可拉伸和耐溶剂的纤维素纳米晶体光子薄膜

纤维素纳米晶体 (CNC) 衍生的光子材料已被证实在可再生光学和工程领域方面具有巨大潜力。然而，使得CNC同时拥有韧性、强度和多种响应来开发高性能传感器、智能涂层、柔性纺织品和多功能设备仍然具有挑战性。在这里，作者报道了一种简便而稳健的策略，即聚（乙二醇）二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）可以通过在N,N-二甲基甲酰胺溶剂体系中的紫外触发自由基聚合而收敛到CNCs的手性向列结构中。得到的CNC-poly (PEGDMA)复合材料具有高强度 (42  MPa)、高拉伸性 (104%)、高韧性 (31 MJ m^-3) 和耐溶剂性。值得注意的是，它保留了生动的光学虹彩，显示出从红色、黄色到绿色的可拉伸变化。更有趣的是，在暴露于喷雾水分后，它会执行敏感驱动 (4.6° s⁻¹) 和多种复杂的3D变形行为，并伴有协同的虹彩外观。这种具有可持续性、鲁棒性、机械致变色性和特定驱动能力的多功能系统将为机械传感器、可拉伸光学器件、智能驱动器和软机器人开辟一条可持续发展的道路。相关研究以“Highly Tough, Stretchable, and Solvent-Resistant Cellulose Nanocrystal Photonic Films for Mechanochromism and Actuator Properties”为题目，发表在Small上。DOI:10.1002/smll.202107105。

7、基于纤维素增强MXene复合膜的柔性摩擦纳米发电机

柔性摩擦纳米发电机（TENG）是未来柔性自供电系统中不可或缺的一部分。然而，如何在电极材料的强机械性能、强摩擦起电效应和高导电性之间建立平衡仍然是一个巨大的挑战。本文开发了一种基于纤维素纳米纤丝(CNFs)/过渡金属碳化物和氮化物(MXene)复合膜的柔性且性能增强的TENG，用于收集人体运动能量。通过引入CNFs，提高了复合薄膜的机械强度、柔韧性以及对温度变化和应变的敏感性。在CNFs/MXene比率为2/5时，传输的电荷和输出电压分别达到7.4 nC和24.9 V的最大值。所制备的TENG的最大瞬时输出功率密度为1.2 mW m^-2。此外，通过将TENG与柔性交流电致发光相结合，展示了一种自供电柔性显示系统。基于纤维素纳米纤维增强的MXene复合薄膜的柔性TENG有望作为自供电系统的柔性能源。相关研究以“A Flexible Triboelectric Nanogenerator Based on Cellulose-Reinforced MXene Composite Film”为题目，发表在Advanced Materials Interfaces上。DOI:10.1002/admi.202102124。

8、环保、耐久防水、高透气性纤维织物

防水透气膜（WBM）由于其在各个科学和工业领域的广泛应用而受到广泛关注。然而，创建具有环境友好性和高性能的WBM仍然是一项关键且具有挑战性的任务。在此，通过静电纺丝和一步浸涂技术制备了一种高性能的环保无氟WBM。含有长烃链的无氟水性羟基丙烯酸树脂（HAR）乳液赋予电纺聚丙烯腈/封端异氰酸酯预聚物（PAN/BIP）​​纤维膜优异的疏水性；同时，交联剂BIP确保了烃链段与纤维基材之间的强化学结合。所制备的PAN/BIP@HAR纤维膜具有高防水性和透湿性，可与现有的高性能氟化WBM相媲美。此外，PAN/BIP@HAR膜还显示出令人印象深刻的拉伸强度和耐用性。成功合成的环保、耐用防水和高透气性PAN/BIP@HAR膜不仅为材料设计开辟了新途径，也提供了在各个领域具有巨大潜力的有前途的候选材料。相关研究以“Environmentally Friendly, Durably Waterproof, and Highly Breathable Fibrous Fabrics Prepared by One-Step Fluorine-Free Waterborne Coating”为题目，发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。DOI:10.1021/acsami.1c23664。

9、从软木牛皮纸浆中提取的可再生纤维素生物质大规模制造可回收生物塑料

石化塑料堆积在地球上，对生态环境造成了极大威胁。近年来，纤维素薄膜因其良好的生物降解性、光学透明性和资源丰富性而成为替代石油基塑料的最具吸引力的候选材料之一。然而，制造纤维素薄膜的一般策略通常耗时且难以工业化。此外，这些薄膜在潮湿环境中仍存在抗水性差和机械强度差的缺点，不足以满足实际应用。在此，作者报道了一种简便且大规模的制备策略，用于制造由化学和物理双交联羧甲基化纤维素纤维 (CMF) 组成的高性能纤维素生物塑料薄膜。整个制备时间仅在1小时内，优于报道最多的方法。在这个过程中，漂白的软木牛皮纸浆被羧甲基化，形成均匀的带负电荷的CMF浆料，该浆料可以通过强静电相互作用进一步与聚酰胺环氧氯丙烷树脂或硫酸铝交联。由此产生的生物塑料显示出高机械强度 (158.2 MPa)、优异的水稳定性和改进的湿强度 (20.7 MPa)。此外，该生物塑料还具有高光学透明度 (89.4%) 和雾度特性 (77.9%)、良好的热稳定性和易于机械分解的可回收性。这种涉及简单造纸过程的快速、可扩展且低成本的策略为生产可回收和可持续的纤维素生物塑料提供了一条有前景的工业化路线，有可能在工程和包装方面取代石化塑料。相关研究以“Large-Scale Manufacture of Recyclable Bioplastics from Renewable Cellulosic Biomass Derived from Softwood Kraft Pulp”为题目，发表在ACS Applied Polymer Materials上。DOI:10.1021/acsapm.1c01729。

景行供稿。