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“细菌造”纳米纸经得起极端环境考验

来源:科技日报 吴长锋 访问:450 时间:2023-04-20

  4月18日,科技日报记者从中国科学技术大学获悉,该校俞书宏院士、管庆方副研究员等科研人员,利用合成云母和细菌纤维素,合成了一种具有优异机械和电绝缘性能,对极端条件具有良好耐受性的纳米纸张材料,该材料表现出优异的交替高温和低温耐受性、抗紫外线和原子氧特性。这项研究成果日前发表在《先进材料》上。

  这种纳米纸张材料,具有较高的抗拉强度、优异的可折叠性、抗弯曲疲劳性、较高的电击穿强度。与纤维素纳米材料相比,这种纳米纸张材料的电晕阻力寿命显著提高,甚至超过了商用聚酰亚胺薄膜。

  如果把地球上的功能材料应用于火星和月球等极端环境,其在应用过程中的可靠性取决于其对极端环境的耐受性。通常,在这些极端环境中,一些不利因素包括紫外线、原子氧和高低温交替等,容易导致材料的物理化学性质发生变化,更有甚者会导致重要设备失效。

  为了解决这些挑战,人们使用和开发了各种基于金属、陶瓷和聚合物的材料。其中,金属和陶瓷具有优异的力学性能和对极端环境的容忍度。但金属基材料同陶瓷基材料相比密度高;而陶瓷基材料也存在因太脆而不能制备成特定形状的缺点;聚合物虽然具备轻质和可塑性的优点,但大多数聚合物基复合材料存在着高温耐软化性能差、低温脆性、耐热冲击性能差等问题。

  研究人员介绍,他们选用的细菌纤维素,具有高纯度、高结晶度、高弹性模量和天然三维网络结构。研究人员先将细菌纤维素的菌株木马孢杆菌引入固体培养基表面,为细菌纤维素的生长提供稳定的培养基—空气界面。在随后的细菌纤维素生长过程中,他们通过气溶胶辅助给料系统,为复合水凝胶的形成提供了条件。最后,通过热压,他们将得到的复合水凝胶组装成致密的云母纳米堆,得到了纳米纸张材料,其机械和介质强度性能优于大多数商业云母纸。

  为了验证该材料对极高温和极低温交替环境的耐受性,研究人员引入了快速热冲击试验。他们将该纳米纸张材料在烤箱和液氮之间来回交替,如此一来,材料被快速加热到120℃,然后冷却到-196℃。随后,研究人员测试了该材料在20次热冲击循环后的力学性能。在热冲击后,该材料的力学性能没有明显下降,强度保持在初始值的98%。

  为了进一步测试该材料对紫外线的抵抗力,他们将其在强紫外线照射下暴露216小时,力学性能和电学性能检测结果表明,该材料仍保持了90%的介电强度和99%的抗拉强度。此外,这种纳米纸张材料对原子氧也具有良好的耐受性,在原子氧大通量辐照6小时后,该材料的介电强度仍保持在96%。

  研究人员表示,这项研究将为未来对极端环境的探索提供一种材料选择。

(原载于《科技日报》 2023-04-20 第06版 材料)

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