Small:天然丝蛋白增强碳纳米管纤维——自然材料与人造材料的强强联合

蚕丝和碳纳米管(Carbon Nanotube, CNT)分别是自然材料和人造材料领域具有优异力学性能的材料的代表。天然蚕丝具有卓越的力学性能,如高强度、高韧性和良好的柔性等。蚕丝的优异性能来源于其独特的多级结构,如图所示,丝素蛋白纤维(直径约为10-20微米)由微纤、纳纤多级结构构成,其中的纤维单元取向排列,并包含内部有大量氢键(键能4.2–167.4 kJ/mol)的β折叠结构。CNT是最坚固的人造材料之一,具有质量轻和断裂强度高的特点,但是由无数单根CNT制作而成的宏观CNT纤维却难以具有与单根CNT相比拟的力学性能,其断裂强度远低于单根CNT的断裂强度,这主要是因为在宏观纤维内部CNT之间的作用力主要是较弱的范德华作用力(键能0.4–4 kJ/mol),使得应力无法在相邻碳纳米管之间有效传递,从而使得宏观纤维易于断裂失效。如何提高CNT纤维的强度一直是和学术界和工业界研究的热点问题。受蚕丝纤维结构的启发,清华大学化学系张莹莹课题组以丝素蛋白溶液浸润CNT纤维并引入丙三醇后处理,有效提高了CNT纤维内部相邻CNT之间力的传递,获得了明显增强的CNT纤维。

清华大学张莹莹课题组通过模仿天然蚕丝的结构,将丝素蛋白分子渗入到具有多级定向结构的CNT纤维中,以增强相邻CNT之间的力的传递,从而制备具有高强度的CNT纤维。通过傅里叶红外光谱表征和分子动力学模拟发现,CNT中碳原子的sp2结构对丝素蛋白分子有明显的诱导作用,使得β折叠结构不易形成,从而减少了氢键的数量。力学性能测试结果也表明这不利于CNT纤维增强。为解决这一问题,以丙三醇与丝素蛋白分子相互作用,利用其含有的羟基基团诱导氢键形成,从而促使β折叠结构的形成。最终得到的复合纤维的断裂强度达1023 MPa,韧性达10.3 MJ/m3,杨氏模量为81.3 GPa,和原始CNT纤维相比分别提高了250%,132%和442%。值得说明的是,本工作中所使用的原始CNT纤维的强度并非当前最优,该工作主要关注的是相对增强效果,通过实验和模拟验证了丝素蛋白分子对CNT纤维的增强作用。预测该策略也可能被用于其他纤维材料的增强。

论文信息:

Biomimetic Mechanically Enhanced Carbon Nanotube Fibers by Silk Fibroin Infiltration

Zhe Yin, Xiaoping Liang, Ke Zhou, Shuo Li, Haojie Lu, Mingchao Zhang, Haomin Wang, Zhiping Xu, Yingying Zhang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202100066