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为解决传统方法制备的纤维增强复合材料力学性能不理想的问题，研究人员开展了受竹子启发的自下而上纳米纤维组装策略构建复合水凝胶的研究。结果显示，所得水凝胶力学性能优异，该研究为制备先进仿生材料提供了新途径。
在神奇的材料世界里，大自然就像一位智慧超群的大师，创造出了无数令人惊叹的材料。竹子，便是其中的佼佼者。它身轻如燕，却又坚韧无比，既强又柔，这种看似矛盾的力学特性完美地集于一身。竹子的秘密武器在于其独特的分层纤维结构，由纤维素、木质素和半纤维素这些基础单元巧妙组合而成。纤维素微纤丝像坚固的钢筋，提供强大的力量；木质素填充在纤维之间，增强硬度；半纤维素则像胶水，把大家紧紧黏在一起，增加柔韧性。
然而，人类在模仿大自然制备材料时却遇到了难题。传统的从天然来源提取纳米纤维用于复合材料的方法，效果总是不尽如人意。从天然植物中提取纤维素纤维的过程十分复杂，需要经过繁琐的机械和化学处理，这不仅容易破坏纳米纤维的界面，还会因为天然纤维素纳米纤维过高的模量与大多数水凝胶基质不匹配，导致复合材料内部应力集中，最终使得材料的力学性能大打折扣。
为了攻克这些难题，新加坡国立大学（National University of Singapore）的研究人员展开了一场充满挑战的科研之旅。他们受到竹子分层组装结构的启发，另辟蹊径，提出了一种自下而上的纳米纤维组装策略，致力于构建超强的纤维增强复合水凝胶。
研究人员首先精心制备了基于多糖的纳米纤维（CSNFs），它就像是搭建水凝胶这座 “大厦” 的优质 “砖块”。然后，他们把单宁酸（TA）当作像木质素一样强大的交联剂，将聚乙烯醇（PVA）作为类似半纤维素的柔性水凝胶基质。通过这种巧妙的组合，模拟竹子的基础组成单元，成功构建出了复合水凝胶。并且，他们还利用拉伸诱导取向的方法，进一步强化分子间的相互作用，让水凝胶的性能更上一层楼。
在这场科研探索中，研究人员运用了多种先进的技术方法。他们借助场发射扫描电子显微镜（FE - SEM）观察水凝胶的微观形态；利用 X 射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱分析等技术深入研究分子间的相互作用和结构变化；通过差示扫描量热法（DSC）和小角 X 射线散射（SAXS）来探究纳米晶结构的演变；采用拉伸测试、循环加载 - 卸载拉伸测试、冲击测试等力学测试方法全面评估水凝胶的力学性能 。
竹子启发的基础组成单元设计
研究人员模拟竹子的结构，制备了 CSNF - TA - PVA 复合水凝胶。通过对比纯 PVA、CSNF - PVA 和 CSNF - TA - PVA 水凝胶的力学性能发现，CSNF 和 TA 的加入显著提升了水凝胶的强度和拉伸性。例如，纯 PVA 水凝胶的拉伸强度仅为 4.6MPa，而 CSNF - TA - PVA 水凝胶的拉伸强度达到了 13.8MPa，是纯 PVA 水凝胶的三倍 。同时，循环加载 - 卸载拉伸测试表明，CSNF - TA - PVA 水凝胶的能量损失系数更高，意味着它在吸收能量方面表现更出色。
基础组成单元内的分子相互作用
通过 X 射线光电子能谱（XPS）、FTIR 光谱、拉曼光谱分析以及密度泛函理论（DFT）计算，研究人员详细探究了 CSNF - TA - PVA 组成单元内的分子相互作用。结果发现，TA 与 CSNF 之间存在静电相互作用和氢键，TA 与 PVA 之间也形成了氢键。这些相互作用使得三个组分紧密结合，增强了水凝胶的整体力学性能。比如，DFT 计算得出 TA 与 CSNF 的结合能高达 - 27.9kcal/mol，有力地证明了它们之间相互作用的强度 。
纳米晶结构的演变
研究人员利用 DSC、SAXS 和 XRD 等技术研究了 TA 对 PVA 纳米晶结构的影响。结果显示，TA 的加入破坏了 PVA 的结晶区域，降低了其结晶度和热稳定性。在 CSNF - TA - PVA 水凝胶中，PVA 的结晶峰消失，结晶域尺寸显著减小，从 3.29nm 降至 1.14nm 。这表明 CSNF、TA 和 PVA 之间的强相互作用改变了 PVA 的纳米晶结构。
复合水凝胶的仿生高阶取向结构
研究人员对 CSNF/PVA - TA 水凝胶进行拉伸诱导取向处理，通过扫描电镜（SEM）和二维小角 X 射线散射（2D SAXS）观察发现，处理后的水凝胶呈现出高度取向的结构，Herman’s 取向因子达到 0.64 。力学测试表明，取向结构的水凝胶拉伸强度大幅提高，最高可达 60.2MPa，同时仍保持较好的拉伸性，断裂应变可达 470% 。这一结果表明，取向结构有效增强了水凝胶的力学性能。
通过强分子相互作用的协同强化和增韧机制
与纯 PVA 水凝胶相比，取向的 CSNF - TA - PVA 复合水凝胶在刚度、强度和拉伸性方面都有显著提升，其韧性提高了约 20 倍，达到 122.4MJ/m3 。微观和纳米尺度的分析表明，CSNFs 作为增强相阻碍了裂纹的扩展，TA 与 PVA 之间的强氢键以及 CSNF 与 TA 之间的静电相互作用共同增强了水凝胶的力学性能。此外，该水凝胶还展现出优异的抗冲击性能和能量吸收能力，在高应变率压缩下，最大压缩应力可达 148.2MPa 。
研究人员通过受竹子启发的自下而上纳米纤维组装策略，成功制备出了具有优异力学性能的复合水凝胶。这种水凝胶不仅强度高、拉伸性好，还具有出色的抗冲击和能量吸收能力。该研究为制备先进的仿生材料提供了新的思路和方法，有望在柔性电子、生物医学设备、能量存储设备和软机器人等领域得到广泛应用，为这些领域的发展注入新的活力。
