在DESY的X射線光源PETRA III中，瑞典研究人員領導的團隊生產(chǎn)了迄今為止最強大的生物材料。人造但可生物降解的纖維素纖維比鋼更強，甚至比拉索蜘蛛絲更強，這通常被認為是最強的生物基材料。由斯德哥爾摩KTH皇家理工學院的DanielSöderberg領導的團隊報告了美國化學學會ACS Nano雜志的工作。

超強材料由纖維素納米纖維(CNF)制成，纖維素納米纖維是木材和其他植物生命的基本組成部分。研究人員使用一種新穎的生產(chǎn)方法，成功地將這些納米纖維的獨特機械性能轉(zhuǎn)化為宏觀輕質(zhì)材料，可用作飛機，汽車，家具和其他產(chǎn)品中塑料的環(huán)保替代品。“我們的新材料甚至具有生物醫(yī)學的潛力，因為纖維素不會被身體排斥，”Söderberg解釋道。

科學家們開始研究市售的纖維素納米纖維，其直徑僅為2至5納米，長度可達700納米。納米(nm)是百萬分之一毫米。將納米纖維懸浮在水中并進料到一個寬度僅為1毫米并用鋼碾磨的小通道中。通過兩對垂直流入，額外的去離子水和具有低pH值的水從側(cè)面進入通道，將納米纖維流擠壓在一起并加速它。

這個過程稱為流體動力聚焦，有助于將納米纖維在正確的方向上對齊，并將其自組織整合到一個包裝良好的宏觀螺紋中。不需要膠水或任何其他組分，納米纖維組裝成由納米纖維之間的超分子力(例如靜電力和??范德瓦爾斯力)保持在一起的緊密線。

利用來自PETRA III的明亮X射線，科學家們可以跟蹤并優(yōu)化該過程。“X射線使我們能夠分析線的形狀以及超強纖維中的材料結(jié)構(gòu)和層次順序的詳細結(jié)構(gòu)，”共同作者，微觀和納米焦點負責人DESY的Stephan Roth解釋說。 X射線散射光束線P03，其中螺紋旋轉(zhuǎn)。“我們的螺紋厚度達到15微米，長度達到幾米。”

測量顯示材料的拉伸剛度為86千兆帕(GPa)，拉伸強度為1.57GPa。“這里生產(chǎn)的生物基納米纖維素纖維的硬度是其8倍，并且比天然拉索蜘蛛絲纖維具有更高的強度，”Söderberg說。“如果你正在尋找一種生物基材料，那就沒有什么比這更好的了。它也比鋼鐵和任何其他金屬或合金以及玻璃纖維和大多數(shù)其他合成材料更堅固。” 人造纖維素纖維可以織成織物以產(chǎn)生用于各種應用的材料。研究人員估計，新材料的生產(chǎn)成本可與強力合成纖維的生產(chǎn)成本相媲美。“新材料原則上可用于制造生物降解成分，”Roth補充道。

該研究描述了一種新方法，該方法模擬自然界將纖維素納米纖維積聚成近乎完美的宏觀尺度排列的能力，如木材。它為開發(fā)納米纖維材料開辟了道路，納米纖維材料可用于更大的結(jié)構(gòu)，同時保持納米纖維的拉伸強度和承受機械載荷的能力。“我們現(xiàn)在可以將超級性能從納米尺度轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^尺度，”Söderberg強調(diào)說。“通過理解和控制完美納米結(jié)構(gòu)所必需的關鍵基本參數(shù)，例如粒徑，相互作用，排列，擴散，網(wǎng)絡形成和組裝，這一發(fā)現(xiàn)成為可能。” 該方法還可用于控制碳管和其他納米尺寸纖維的納米級組裝。