塑料制品为人们的生活带来了极大便利，然而丢弃的塑料垃圾对生态环境造成了难以想象的危害。难以降解的塑料垃圾每年造成数十万海洋动物的死亡，产生的微塑料更是遍及地球的各个角落，甚至进入动植物的体内或其他环境中，对人类健康产生巨大的威胁。为了更好地防治塑料污染，发展新一代可持续塑料替代材料迫在眉睫。
近日，由中国科学技术大学俞书宏院士团队基于微生物发酵过程，成功研制了一类超强、超韧、透明的高性能可持续仿贝壳复合薄膜。该薄膜基于可持续的生物材料，采用一种气溶胶辅助的生物合成法制备。这种新型制备方法完美地结合了纳米材料沉积与微生物发酵过程的优势，成功实现了微生物产物与纳米材料的原位复合，大幅提升了该材料的光学和力学性能。同时，通过纳米粘土片和细菌纤维素两种天然组分，成功构筑了“砖-纤维”仿贝壳层状结构，使该薄膜展现出远超传统塑料的力学性能。得益于这种仿生结构设计和微生物发酵过程中纳米材料原位复合过程，该薄膜集成了多种优异的宏观特性，展现出比塑料薄膜更突出的综合性能，在新型显示、光电转换、柔性电子器件等领域具有竞争力。成果以“Ultra-Strong, Ultra-Tough, Transparent, and Sustainable Nanocomposite Films for Plastic Substitute”为题发表于Matter。
图1. 高性能可持续仿贝壳透明薄膜的制备过程与结构示意图。(A-B) 常温常压下微生物辅助合成复合水凝胶的过程。(C) 具有三维纳米纤维网络结构的复合水凝胶。(D) 高性能可持续仿贝壳透明薄膜内部的“砖-纤维”结构。
该薄膜具有优异的光管理特性，在高透明度的基础上兼具极高的光学雾度，能高效地散射透过的光线，从而实现理想的匀光效果。传统的聚合物塑料薄膜由于其均质结构的特点，使光线易于透过而难于散射，因此很难具备这种光学特性。而这种高透明高雾度薄膜得益于致密的仿贝壳“砖-纤维”结构，通过薄膜内部孔隙的填充保证透光效果，通过纳米片-纤维素的界面散射保证光学雾度，从而可以在370-780 nm的可见光谱波长范围内同时实现超过73％的高透明度和超过80％的高光学雾度。对于光电器件来说，这种结合了高透明度和高光学雾度的光学特性可以有效提高透过光的比例，延长光的传输路径，从而显著提升光捕获效率。
图2. 该薄膜与多种传统塑料强度、模量、最高服役温度和热膨胀系数的Ashby图。(A) 强度和模量Ashby图，表明该薄膜具有优于传统塑料的强度和模量。(B) 最高服役温度和热膨胀系数Ashby图，表明该薄膜具有优于传统塑料的最高服役温度和热膨胀系数。(C) 该薄膜的大尺寸样品。(D-E) 该薄膜可以被折叠成各种形状，且多次折叠后展开无明显损伤。(F) 在展开和弯折的情况下，该薄膜上的电路都可以保持畅通，使LED灯亮。
同时，该薄膜还具有高强、高韧的优异性能。其强度和模量可达到482 MPa和15 GPa，分别是商用PET塑料薄膜的6倍和3倍以上。此外，该薄膜还展现出了良好的柔韧性，可以被折叠成各种形状，并且在多次折叠展开后没有明显的损伤，这种优异的力学性能可以保证薄膜材料更好地适用于各种场景。纳米纤维三维网络和“砖-纤维”仿贝壳结构设计有助于应力均匀分散，避免应力集中，有效抑制裂纹扩展，同时纤维变细效应可以提高材料内部纤维间的氢键密度、促进薄膜拉伸过程中的纤维滑移，从而使材料兼具高强度和高韧性。
作为一种生物基可持续材料，该仿生薄膜还具有优异的热稳定性，热膨胀系数低至 3 ppm K-1，即温度每改变100°C，尺寸变化仅为万分之三，是商用塑料薄膜的几十分之一。而且，相对于在高温下极易软化变形的塑料薄膜，该薄膜在250℃下仍能保持结构和性能稳定，因此在极端环境下具备比塑料薄膜更为优异的服役性能。
这种仿生薄膜材料集成了优异的光学、力学和热学性能，并且在自然条件下可以完全生物降解，克服了废弃塑料难以降解的问题，避免了微塑料的产生及其对人类健康的威胁。在满足柔性电子器件基底材料光学透明性、柔性、低成本以及高低温下的尺寸稳定性等要求的同时，该薄膜全生命周期绿色无污染，在未来柔性电子器件领域将具有广泛的应用前景。
这项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、合肥综合性国家科学中心等资助。
