如果你可以利用地球上最丰富的天然材料之一,利用它的优点让重物体变轻,取代合成材料,或使用它作为支撑结构开发骨骼,应用于快速增长的口腔保健领域,那么世界会不会更加美好?

纤维素纳米晶体(植物的分子物质)能让这一切都成为现实。作为工业填充材料,它们能与塑料和其它合成纤维混合。它们像钢铁一样结实耐用,像玻璃一样牢固,重量轻而且环保。

“现在,塑料可以用由钢材、碳、芳纶纤维材料或玻璃制成的填料加固。在制造业领域对轻便、坚固的可持续材料的需求在不断增长,以替代这些填充材料,”道格拉斯 M 福克斯说,他是美利坚大学化学系副教授。

“纤维素纳米晶体是一种环保型填料。如果有一天,将它们广泛应用于制造业领域,纤维素纳米晶体将减轻材料的重量,减少能源使用量。”

福克斯已经将他的纤维素纳米晶体研究成果提交了专利申请,包括一个简单的、可升级的方法来提高材料性能。研究论文发表在《ACS应用材料和界面》期刊上。福克斯的成果可作为一种生物材料,在交通运输、基础设施和风力涡轮机领域进行应用。

纤维素的力量

纤维素增加了茎、叶和自然界中其它有机物质的强度。这种强度已经在许多商业材料上被加以利用。在纳米级上,纤维素纤维可以分解成微小的晶体,颗粒小于十微米。通过从天然来源,如木材,被囊动物(海参类)和某些种类的细菌中提取纤维素,研究人员可以制备不同尺寸和强度的晶体。

所有行业领域都存在发展障碍。将纳米纤维素添加在塑料中,科学家们必须发现最有效点:最佳量的纳米颗粒间的相互作用能够产生最大强度、达到最新的特性。利用简单的离子交换过程,通过改变纳米晶体的表面化学特性,福克斯克服了四个障碍。离子交换减少水的吸收(如果吸收水分之后纤维素材料会失去强度);提高纳米晶体分解的温度(需要与塑料混合);减少结块;提高晶体干燥后的再扩散。