作者:麻省理工学院朱明华
麻省理工学院的一个团队设计了一种新的木质复合材料，它像骨头一样坚硬，像铝一样坚韧，可以为天然塑料铺平道路
这张图片展示了一颗由研究小组打印的牙齿，它被放置在木质细胞的背景上
学分:麻省理工学院 一棵树最强壮的部分不在于它的树干或蔓延的根，而在于它微观细胞的壁
单一的木质细胞壁是由纤维素纤维构成的——纤维素是自然界最丰富的聚合物，也是所有植物和藻类的主要结构成分
每根纤维内都有增强的纤维素纳米晶体，即氯化萘，它是以近乎完美的晶体模式排列的有机聚合物链
在纳米尺度上，氯化萘比凯夫拉尔更坚固更坚硬
如果这些晶体可以被加工成大量的材料，氯化萘就可以成为更坚固、更可持续的天然塑料
现在，麻省理工学院的一个团队设计了一种复合材料，主要由纤维素纳米晶体和一点合成聚合物混合而成
有机晶体约占材料的60%至90%，是迄今为止复合材料中氯化萘含量最高的部分
研究人员发现，这种纤维素基复合材料比某些类型的骨骼更坚固、更坚韧，也比典型的铝合金更坚硬
这种材料有一种类似珍珠质的砖和灰泥的微观结构，珍珠质是一些软体动物坚硬的内壳衬里
该团队找到了一种基于数控的复合材料的配方，他们可以使用3D打印和传统铸造来制造这种复合材料
他们将这种复合材料印制成硬币大小的薄膜，用来测试材料的强度和硬度
他们还将这种复合材料加工成牙齿的形状，以表明这种材料有朝一日可能会被用于制造更坚固、更坚韧、更可持续的纤维素基牙科植入物——以及任何塑料产品
“通过在高载荷下用氯化萘制造复合材料，我们可以赋予聚合物基材料前所未有的机械性能，”A说
约翰·哈特，机械工程教授
“如果我们能用天然纤维素替代一些石油基塑料，那对地球来说无疑也更好
" 哈特和他的团队，包括阿比纳夫·拉奥
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18岁的Thibaut Divoux和Crystal Owens SM '17今天在《纤维素》杂志上发表了他们的结果
描述:该团队找到了一种基于数控的复合材料的配方，他们可以使用三维打印和传统铸造来制造这种复合材料
学分:麻省理工学院 凝胶键 每年，超过100亿吨的纤维素是从树皮、木材或植物叶子中合成的
这种纤维素大部分用于制造纸张和纺织品，而一部分被加工成粉末用于食品增稠剂和化妆品
近年来，科学家们探索了纤维素纳米晶体的用途，它可以通过酸水解从纤维素纤维中提取
这种异常坚固的晶体可以用作聚合物基材料的天然增强材料
但是研究人员只能掺入少量的氯化萘，因为这些晶体往往会结块，而且与聚合物分子的结合很弱
哈特和他的同事们希望开发一种含有高比例氯化萘的复合材料，使其能够形成坚固耐用的形状
他们首先将合成聚合物溶液与市售CNC粉末混合
该团队确定了CNC和聚合物的比例，这种比例可以将溶液变成凝胶，其稠度可以通过3D打印机的喷嘴输入，也可以倒入模具中进行浇铸
他们使用超声波探头来分解凝胶中的任何纤维素团，使分散的纤维素更有可能与聚合物分子形成牢固的结合
他们通过3D打印机输入一些凝胶，然后将剩余的倒入模具中进行浇铸
然后，他们让打印的样本变干
在这个过程中，材料收缩，留下了主要由纤维素纳米晶体组成的固体复合材料
“我们基本上解构了木材，并重建了它，”饶说
“我们提取了木材的最佳成分，即纤维素纳米晶体，并对其进行了重构，以获得一种新的复合材料
" 该团队将这种复合材料雕刻成牙齿的形状，以表明这种材料有朝一日可能会被用于制造更坚固、更坚韧、更可持续的木质牙科植入物——或者任何塑料产品
学分:麻省理工学院 坚硬的裂缝 有趣的是，当研究小组在显微镜下检查复合材料的结构时，他们观察到纤维素颗粒沉淀成砖块和灰泥的图案，类似于珍珠质的结构
在珍珠质中，这种之字形的微观结构阻止了裂纹直穿材料
研究人员发现他们的新纤维素复合材料也是如此
他们测试了这种材料的抗裂性，使用工具首先引发纳米尺度的裂纹，然后引发微米尺度的裂纹
他们发现，在多个尺度上，复合材料中纤维素颗粒的排列阻止了裂缝分裂材料
这种对塑性变形的抵抗使复合材料在传统塑料和金属之间的边界处具有硬度和刚度
展望未来，该团队正在寻找减少凝胶干燥收缩的方法
虽然印刷小物件时收缩不是什么大问题，但随着复合材料的干燥，任何更大的物体都可能弯曲或破裂
“如果你能避免收缩，你就能继续扩大规模，也许能达到米级，”拉奥说
“然后，如果我们想实现远大的梦想，我们可以用纤维素复合材料取代相当一部分塑料
"
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