材料對極端環(huán)境的耐受性一直以來是對材料整體性能考察的重要指標(biāo)之一。尤其是對應(yīng)用于南極洲、火星和月球等極端環(huán)境的功能材料，其對極端環(huán)境的耐受性就決定了該材料在應(yīng)用過程中的可靠性。通常在這些極端環(huán)境中，一些不利因素包括紫外線（UV）光、原子氧（AO）和高溫和低溫交替，容易導(dǎo)致材料的物理化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化，在嚴(yán)重的情況下通常會導(dǎo)致重要設(shè)備和設(shè)備的失效。為了解決這些挑戰(zhàn)，人們使用和開發(fā)了各種基于金屬、陶瓷和聚合物的材料。其中，金屬和陶瓷具有優(yōu)異的力學(xué)性能和對極端環(huán)境的容忍度，但金屬基材料仍然存在高密度的問題，而陶瓷基材料由于其延展性較差，也存在太脆而不能制備成特定形狀的缺點(diǎn)。然而聚合物具備輕質(zhì)和可塑性的優(yōu)勢，但目前大多數(shù)聚合物基復(fù)合材料仍面臨著高溫軟化性能差、低溫脆性、耐熱沖擊性能差等問題。

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士、管慶方副研究員報道了一種受珍珠層啟發(fā)的納米材料，通過氣溶膠輔助生物合成（AABS）策略，結(jié)合了合成云母（S-Mica）和細(xì)菌纖維素（BC），合成了一種具有優(yōu)異的機(jī)械和電絕緣性能，對極端條件具有良好的耐受性納米紙張材料。通過這一方法獲得的BC/S-Mica納米紙張對極端條件表現(xiàn)出優(yōu)異的抗性，如交替高溫和低溫、紫外線和原子氧AO，使其成為極端抗環(huán)境材料的理想候選材料。此外，珍珠層激發(fā)的納米紙張具有較高的抗拉強(qiáng)度（375 MPa）、優(yōu)異的可折疊性和抗彎曲疲勞性。同時，“磚塊”結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了云母的高介電強(qiáng)度，使納米材料具有較高的電擊穿強(qiáng)度（145.7 kV mm-1）。與纖維素納米材料相比，BC/S-Mica納米紙張的電暈阻力壽命顯著提高，甚至超過了商用聚酰亞胺（PI）薄膜。該工作以題為“Nacre-inspired bacterial cellulose/mica nanopaper with excellent mechanical and electrical insulating properties by biosynthesis”的文章發(fā)表有Advanced Materials上。

BC/S-Mica納米紙張的合成和性能表征

本文主要選用細(xì)菌纖維素（BC），與天然植物纖維素相比，BC具有高純度、高結(jié)晶度、高彈性模量和天然三維（三維）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。制備方法如下：先將BC的菌株木馬孢桿菌引入固體培養(yǎng)基表面，為BC的生長提供穩(wěn)定的培養(yǎng)基-空氣界面。在隨后的BC生長過程中，通過氣溶膠輔助給料系統(tǒng)將S-Mica懸浮液和液體培養(yǎng)基噴灑在BC生長的界面上（，這為BC/S-Mica復(fù)合水凝膠的形成提供了條件。.后，通過熱壓，將得到的復(fù)合水凝膠組裝成.終致密的BC/S-云母納米堆，其機(jī)械和介質(zhì)強(qiáng)度性能優(yōu)于大多數(shù)商業(yè)云母紙。

在上述AABS過程中，S-Mica納米片以氣溶膠的形式均勻分散到BC的生長界面上，保證了復(fù)合水凝膠的均勻性和可控性。在掃描電鏡（SEM）下，可以觀察到S-Mica納米片均勻分布在水凝膠中BC的三維網(wǎng)絡(luò)中。這種相互交織的CNFs的三維網(wǎng)絡(luò)有效地結(jié)合和糾纏了s-云母，形成了兩種成分之間具有強(qiáng)相互作用的復(fù)合水凝膠。

BC/S-Mica納米紙張的性能和極端環(huán)境耐受性

在BC/s-Mica納米結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合作用下，所制備的紙張表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度、模量和韌性。BC/s-Mica納米紙張（15.7 wt%）具有高強(qiáng)度（~375 MPa）、高模量（~14.9 GPa）和高韌性（~16.44 MJ m-3），與純BC納米紙張相比分別提高了25.0%、54.6%和164.3%（。這種機(jī)械性能的提高可以歸因于三個主要原因。首先，s-Mica將通過納米片上的表面氧原子與纖維素納米纖維形成氫鍵，從而增強(qiáng)了兩個組分之間的相互作用。其次，S-云母納米片的加入限制了新生成的納米纖維的形狀和取，導(dǎo)致了更細(xì)的纖維素納米纖維。第三，由S-Mica和BC形成的珍珠層啟發(fā)結(jié)構(gòu)也可以通過抑制裂紋的起始和擴(kuò)展來提高納米顆粒的力學(xué)性能。采用循環(huán)彎曲試驗(yàn)來檢驗(yàn)納米材料的抗疲勞性能。經(jīng)過100000循環(huán)彎曲應(yīng)用負(fù)荷250 g，納米錐保留84%的強(qiáng)度和94%的韌性，證明了良好的抗疲勞性能。

云母納米片的二維層狀結(jié)構(gòu)使其與垂直于解理面的電場力高度絕緣，從而產(chǎn)生極高的介電強(qiáng)度由于添加了云母納米片，這種BC/S-Mica納米紙張也有優(yōu)異的電絕緣性能。隨著云母含量的增加，BC/S-Mica納米顆粒的介電強(qiáng)度呈上升后下降的趨勢，在15%S-Mica含量下性能.好（~145.7 kV mm-1）。值得注意的是，BC/S-Mica納米紙張（云母含量27%）的電暈壽命是純BC納米紙的1107倍，是商業(yè)PI薄膜的100倍。此外，在相同的測試條件下，BC/S-BC/S-Mica納米紙張的電暈阻力壽命明顯優(yōu)于之前報道的PI基薄膜和ANF基薄膜

為了驗(yàn)證材料對極高和低溫交替環(huán)境的耐受性，引入了快速熱沖擊試驗(yàn)。我們將納米紙張?jiān)诳鞠浜鸵旱?span>N2）之間來回交替，因此，樣品被快速加熱到120°C，然后冷卻到-196°C。然后，我們測試了納米材料在20次熱沖擊循環(huán)后的力學(xué)性能，如樣品的拉伸強(qiáng)度-楊氏模量直方圖所示。熱沖擊后，納米材料的力學(xué)性能沒有明顯下降，強(qiáng)度保持在初始值的98%。為了進(jìn)一步測試納米粒子對紫外線的抵抗力，將納米粒子在2 W/m2強(qiáng)度的紫外線照射下暴露216小時。力學(xué)性能和電學(xué)性能的結(jié)果表明，該納米材料仍保持了90%的介電強(qiáng)度和99%的抗拉強(qiáng)度。除了紫外線外，另一種極端條件原子氧（AO）也對材料有致命的影響。令人驚訝的是，這種納米紙張對AO也具有良好的耐受性，在AO通量為1×1016 atoms cm-2輻照6小時，而BC/S-云母納米粒子的質(zhì)量損失僅為0.088mg cm-2 。在AO照射后，納米材料的介電強(qiáng)度保持在96%。

小結(jié)：該文報道了應(yīng)用AABS策略復(fù)合S-Mica和BC，然后采用定向變形組裝方法制備了具有顯著電絕緣性能的超強(qiáng)BC基納米紙張。在此過程中，得到的BC/s-Mica納米紙張具有連續(xù)的BC三維網(wǎng)絡(luò)，使納米紙張具有優(yōu)異的力學(xué)性能，包括高抗拉強(qiáng)度、可折疊性和抗彎曲性能。此外，精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使納米紙張具有較高的介電強(qiáng)度和突出的電阻壽命。此外，這種基于BC的納米紙張也對極端條件具有高度的抗性，如交替的高溫和低溫、紫外線和AO，這為未來對極端環(huán)境的探索提供了一個極好的材料選擇。