具有轻质，热尺寸稳定性好和出色的机械性能的可持续结构材料对于工程应用至关重要。但是某些材料性能（例如强度和韧性）之间的内在冲突使得同时实现这些性能指标具有挑战性。源自植物及细菌的纤维素纳米纤维（CNF）是地球上最丰富的全绿色资源之一。CNF具有许多极具吸引人的特性，包括低密度，低热膨胀系数，高强度，高刚度和易于修饰的表面等。因此，如果能够将具有独特优异性能的CNF构建可持续的高性能块状结构材料，不仅会促进CNF的发展，扩大其应用领域，而且会为工程设计提供更多的材料选择。

有鉴于此，中科大俞书宏院士报道了一种稳健可行的策略，可将CNF加工成具有低密度，出色的强度和韧性以及出色的热尺寸稳定性的高性能块状结构材料（CNFP）。

文章要点

1）研究人员通过生物合成从葡萄糖中产生具有坚固的三维纳米纤维网络的CNF水凝胶，然后在热压之前用不同的聚合物溶液或表面改性处理。由未经处理，经聚乙烯醇（PVA）处理和硅酸溶液处理的细菌CNF水凝胶和经聚丙烯酸（PAA）处理的表面­氧化细菌CNF水凝胶制备的CNFP分别标记为CNFP­0，CNFP­1，CNFP­2和CNFP­3。然后将多层预处理的CNF水凝胶压制成高性能的CNFP。

2）通过大型压机设备进行大规模制备，制造了体积为320 mm*220 mm*27 mm，重量为2560 g的大型CNFP。SEM图像显示，CNFP具有多层结构，每层约为20μm，这取决于CNF水凝胶的厚度。在该层内部，有致密且坚固的三维纳米纤维网络。外力作用破坏了CNFP的界面，使得许多CNF相互缠绕在一起，并通过强氢键结合在一起。

3）所获得的CNF板（CNFP）具有较高的比强度[~198 MPa /(Mg m^-3)]，较高的比冲击韧性[〜67 kJ m^-2/(Mg m^-3)]和低的热膨胀系数（ 小于5×10⁻⁶ K^-1），与典型的聚合物，金属和陶瓷相比，它表现出独特而优越的性能，使其成为满足工程要求（尤其是航天器材料）的低成本，高性能和环境友好型替代产品。而且，CNFP在极端温度或快速热冲击下还显示出良好的可维修性，并且具有高的能量吸收性能，可以以低成本实现其大规模生产。

BY QING-FANG GUAN, et al, Lightweight, tough, and sustainable cellulose

nanofiber-derived bulk structural materials with low thermal expansion coefficient, Sci. Adv. 2020

DOI: 10.1126/sciadv.aaz1114

https://advances.sciencemag.org/content/6/18/eaaz1114