中国科学院院士、中国科学技术大学化学系俞书宏教授长期从事无机材料的仿生合成及应用研究，被誉为师法自然的“材料魔术师”。在低成本、环保型、可持续的生物基材料方面进行了大量的研究。本期易丝帮精选了2篇俞书宏院士团队关于“生物基纳米纤维”的最新研究，供大家学习了解。
1、《Advanced Functional Materials》：生物质来源的纳米纤维开发稳固碳质纳米纤维气凝胶
气凝胶是一种具有极低密度和高表面积材料，优异的传质性能和低热导率。因此，气凝胶在能源和与环境相关的领域(如储能、电催化和水处理)显示出巨大的应用潜力。为了促进它们的实际应用，有必要开发高效、可控和低成本的方法，以可持续的方式大规模生产高性能气凝胶。
近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队报道了利用生物质源纳米纤维模板定向水热炭化法制备碳质纳米纤维气凝胶(CNFAs)的总体策略。制备碳质纳米纤维表面暴露出大量的官能团。重要的是，与传统的基于自然生物聚合物的气凝胶相比，通过调整合成参数，CNFAs获得了良好的可回收性和高强度的优越组合。这种材料的成功合成为快速水处理装置的设计和建造提供了一个极好的平台。本文提出的综合策略和可持续发展的概念将为制备具有独特性能的先进气凝胶开辟新的途径。相关研究成果以“Robust Carbonaceous Nanofiber Aerogels from All Biomass Precursors”以为题目，发表于期刊《Advanced Functional Materials》上。
图1 多种生物质来源的纳米纤维合成碳质纳米纤维气凝胶的过程示意图。
综上，作者开发了一种通用和可持续的策略，用于可控制备具有刚性三维交联结构的全生物质衍生碳质纳米纤维气凝胶。多种生物质来源的纳米纤维，包括淀粉样纳米纤维、胺化纤维素纳米纤维、去乙酰化几丁质纳米纤维，被用于模板定向HTC。通过调节合成参数(生物质纳米纤维模板的类型、模板与葡萄糖的比例和反应时间)，可以很容易地调节CNFs的微观结构(直径、长度)和气凝胶的物理性能(表观密度、杨氏模量和屈服应力)。当达到临界条件(ma•d = (ρa•da2)/La)时，才能得到碳质纳米纤维凝胶。
图2 CNFA用于快速去除染料。
结合碳质纳米纤维表面暴露的多种官能团的三维交联结构，构建了一种经济的自制水净化装置，实现了对染料的快速去除(3183 L h−1 m−2)和高通量(60 L, 1 mg L−1 MB的去除率保持在90%以上)。作者期待这种合成具有独特结构的CNFAs的可持续方法将为生物聚合物气凝胶的商业应用开辟更多的机会，特别是在吸附剂、分离器、保温材料、缓冲材料等领域。
2、《Advanced Materials》：可食用、超强、耐热的海藻基餐具结构材料
截至2019年，全球塑料产量达到3.68亿吨，其中一次性塑料制品占比较大40%。这些塑料制品，尤其是一次性杯子、塑料袋、餐具，面临回收地点分散、浪费严重的问题。同时，超过80%的一次性塑料垃圾被掩埋或直接排放到自然环境中，但塑料很难自然降解(可能需要数百年)。另外，塑料制品在整个分解过程和日常使用过程中都会释放出微塑料(MPs)，这将进一步对人类健康构成严重威胁。
鉴于此，中国科学技术大学俞书宏院士团队报道了一种由食品级安全的马尾藻纤维素纳米纤维(SCNF)制成的一次性可生物降解餐具，该纤维具有优良的机械和热性能。首先，作者以马尾藻工业废弃物为基础，开发了一种提取马尾藻废弃物的有效方法，得到了一种可食用的马尾藻纤维素纳米纤维。随后，通过自下而上的水凝胶逐层法制备了马尾藻纤维素纳米纤维结构材料（SCNSM）。
这种基于马尾藻纤维素的食品安全结构材料表现出优异的机械强度和热性能。为了展示这种食品安全材料的潜在应用，作者将其加工成餐具，这显示了其优异的加工性能。此外，这种基于SCNSM的餐具还可以通过聚乳酸（PLA）和姜黄素进行改性，以获得更好的防水性和抗菌性。相关研究成果以“Edible, Ultra-strong, and Thermal-stable Seaweed-based Structural Material for Tableware”为题目发表在《Advanced Materials》上。
图1 SCNF的提取及SCNSM的制备。
图2 马尾藻剥落过程和马尾藻纤维素纳米纤维微观表征。
图3 马尾藻纤维素纳米纤维结构材料的表面抗菌特性。
综上所述，基于丰富的海藻工业废料中的纤维素，作者开发了一种制备食品安全CNF的策略，并构建了一种具有优异机械性能、热性能和耐水/油性能的海藻基可生物降解餐具。SCNSM中SCNF之间的强氢键相互作用使SCNSM基餐具具有高强度、高模量、高硬度和良好的热稳定性，是可降解和不可降解塑料餐具的一种很有前景的替代品。该餐具由马尾藻纤维素纳米纤维结构材料制成，经过疏水抗菌处理后，还可作为长效餐具使用。
