通过剪切诱导定向技术制备的仿生交叉排列多层纳米纤维素薄膜

《Journal of Colloid and Interface Science》：Bioinspired cross-aligned multilayered nanocellulose films through shear-induced orientation

　　

Elizangela Hafemann Fragal|Nathan Piaget|Mohamed Karrouch|Didier Blésès|Michael Sztucki|Jean-Luc Putaux|Bruno Jean|Christine Lancelon-Pin|Lucie Bailly|Laurent Orgéas|Michael Holzinger|Nicolas Hengl|Manfred Burghammer|Rémi Tucoulou Tachoueres|Frédéric Pignon

摘要

本研究探讨了具有交叉排列结构的多层纳米复合膜的仿生制备方法，这一设计直接借鉴了天然承重材料（如椎间盘和木质细胞壁）的机械韧性结构。这些薄膜是通过精确的逐层组装技术制备的：在制备过程中，纤维素纳米晶体（CNCs）在受控剪切力的作用下进行定向，每层都垂直于前一层进行排列。同时，紫外光辅助的光聚合工艺迅速固定了这些有序排列的结构，从而形成稳定且具有粘合性的薄膜，其各层内部呈现出局部各向异性的特征。首先，利用小角光散射（SALS）和二向色性技术观察了从液态悬浮相到薄膜形成过程中的结构各向异性变化，以了解材料结构对其各向异性组织的影响。随后，通过小角X射线散射（SAXS）和广角X射线散射（WAXS）对紫外光固化后的薄膜进行了分析，获得了纳米尺度上的定量证据，证实了薄膜中纤维素纳米晶体的永久性排列以及层间垂直取向的存在。与单向排列的材料相比，这种具有有序结构的多层薄膜在机械性能上表现出显著提升：其压缩模量提高了51%，拉伸延展性提高了91%。这些发现为设计具有特定结构和力学性能的仿生材料提供了新的方向，这类材料能够模拟自然界的层次化结构。