MIT利用树木中的纤维素开发强化材料 像骨骼和铝合金一样硬/而且有韧性

据外媒报道，麻省理工学院（MIT）的研究人员，利用在树木中发现的纤维素纳米晶体（CNC），开发了一种既有韧性又坚固的新材料。

（图片来源：麻省理工学院）

研究人员Abhinav Rao表示，大多数制造的材料可能有韧性，或者很坚固，但是两者往往不能兼而有之。在MIT攻读博士学位期间，Rao帮助创造了这种新材料。

这种材料的主要成分来自树木。所有植物的细胞壁中都含有微小的牙签状晶体，这种纤维素纳米晶体能够赋予植物结构和强度，但是非常微小，其宽度仅为一根头发的1/500。工程师们通过加工木材，去除其他物质，以得到纤维素纳米晶体。人们将纤维素纳米晶体用于制造电子零件，或者医疗设备等。日本某团队甚至用含有纤维素纳米晶体的材料制造了一辆汽车。然而，在此之前，这些纳米晶体在新材料中所占的份额非常小，其余往往是塑料。因为纳米晶体易于结块，其细小的牙签形状消失后，韧性和强度也随之消失了。

为了增加可以放在一起而不会结块的小牙签晶体的数量，Rao的团队发明了一种新凝胶，其起始状态为含有一些塑料和纤维素纳米晶体的液体。Rao解释说，“这个时候，纤维素位于底部。”接下来，研究人员利用超声波振动液体，搅动纳米晶体。等一切完全混合，液体会“结成凝胶，并停止移动。”这个过程很快，仅需几秒钟。

这种凝胶比果冻更硬，把杯子倒过来，也不会倒出来。通过3D打印机或成型机，对凝胶施加足够的压力，可使其形成新的形状。为了进行测试，该团队利用这种凝胶设计了一种牙齿状物体。将这颗凝胶状牙齿置于高温下，其会硬化成固体，同时材料收缩了许多，最终变得像某些骨头一样坚硬。

研究人员表示，这种全有机材料的硬度可与铝合金相媲美，厘米级断裂韧性与木材细胞壁相当。在63 wt% CNCs下，该复合材料的硬度为0.66 GPa，断裂韧性为5.2 MPa m\(^{1/2}\)。这些特性源自新材料的结构，因为每个坚硬的纤维素纳米晶体或一小群晶体周围，都包裹着少量较软的塑料。所以，即或有裂缝，也不能贯穿整个材料，而是蜿蜒前进，通常都不会太长，从而使材料保持坚固。

按重量计算，新材料中纤维素纳米晶体的含量高达60%以上，其余是塑料。Rao表示，除了强度、韧性或耐久性，这些纤维素纳米晶体源自树木，比塑料或其他大多数合成材料更加环保。