固態基底氣溶膠生物合成宏觀尺度功能納米復合材料面世

　　如何將納米材料組裝成宏觀尺度體材料并保持其納米尺度的獨特性能，是納米材料獲得實際應用的關鍵，也是目前面臨的重要挑戰之一。將納米材料組裝成宏觀尺度體材料可實現許多新的且單個納米顆粒所不具備的性質，如光學、磁學、電學及離子傳導性能等。

　　近日，中國科學技術大學教授俞書宏領導的研究團隊發展了一種通用的生物合成方法——固態基底-氣溶膠生物合成法。研究人員通過將傳統木醋桿菌液態發酵基底替換為固態，穩定了微生物合成的納米纖維素的界面，通過原位實時程序化沉積納米單元氣溶膠，實現了原位生長的納米纖維素與不同納米單元的均勻復合，首次成功制備了一系列納米結構單元含量可控、形狀規則的宏觀尺度大塊細菌纖維素納米復合材料。相對于傳統漿料法，該生物合成過程完整地保留了細菌纖維素的三維納米網絡結構。所制備的復合材料塊材保留了其納米單元納米尺度優良性能的同時，且具有更為優異的力學強度。研究論文以A general aerosol-assisted biosynthesis of functional bulk nanocomposites 為題發表于《國家科學評論》（Natl. Sci. Rev. 2019, DOI: 10.1093/nsr/nwy1444）。論文作者為博士生管慶方及本科生韓子盟等。

　　研究表明，這種固態基底-氣溶膠生物合成法是一種通用的方法，可制備一系列由不同納米材料與細菌纖維素宏觀復合塊材，包括零維（0D）納米單元（二氧化硅納米球、四氧化三鐵微球、炭黑顆粒等），一維（1D）納米單元（碳納米管、硅酸鈣納米線、碳化硅線等），二維（2D）納米單元（氮化硼納米片、氧化石墨烯、納米粘土片等）。在所制備的塊材中，納米材料含量在0~85 wt%范圍內可調，而且微觀上納米材料均勻地分布在宏觀尺度的三維納米纖維素塊材網絡中。

　　所制備的塊材很好地保留了其納米單元納米尺度的優良性能。其中，碳納米管/細菌纖維素復合材料薄膜的導電性與力學強度綜合性能優于以往報道的所有同類材料。此外，在保持高強度的同時，這種復合材料薄膜的電磁屏蔽性能也優于已報道同類材料。這種常溫常壓下的微生物發酵過程不涉及使用任何有機溶劑，也不產生任何有害物質排放，具有環境友好、成本低等優勢。特別是這種新的固態基底-氣溶膠生物合成法可靈活地與目前食品工業細菌纖維素生產工藝相結合，有望實現上述高性能復合材料塊材的工業化生產。這類納米復合材料具有廣闊的應用前景。

　　該項研究受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中科院前沿科學重點研究項目、中科院納米科學卓越創新中心、合肥大科學中心卓越用戶基金的資助。

圖1: 固態培養基-氣溶膠生物合成法示意圖。（a）自動發酵反應器示意圖，空氣壓縮泵中的高壓氣體通過自動控制系統控制，到達反應器頂端霧化噴頭后，將液體培養基與納米單元分散液霧化為連續氣溶膠，原位實時沉積到納米纖維素合成界面。（b-d）納米纖維素與零維（b）、一維（c）、二維（d）納米材料原位同步復合示意圖。

圖2：碳納米管/細菌纖維素復合材料形貌及性能。（a-c）碳納米管/細菌纖維素復合材料掃描電鏡照片，在不同尺度下，碳納米管與納米纖維素均勻纏繞分布。（d）復合材料的大規模制備（800×800×0.8 mm3）。（e, f）復合材料氣凝膠（e）、薄膜（f）的碳納米管含量與電導率關系曲線，插圖為數碼照片。（g）復合材料薄膜與文獻報道的同類材料強度與電導率對比。（h, i）生物合成法制備的復合材料薄膜與漿料法樣品的強度與模量對比。