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  如何將納米材料組裝成宏觀尺度體材料并保持其納米尺度的獨(dú)特性能，是納米材料獲得實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵，也是目前面臨的重要挑戰(zhàn)之一。將納米材料組裝成宏觀尺度體材料可實(shí)現(xiàn)許多新的且單個(gè)納米顆粒所不具備的性質(zhì)，如光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)及離子傳導(dǎo)性能等。

  近日，中國科大俞書宏教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種通用的生物合成方法——固態(tài)基底-氣溶膠生物合成法。研究人員通過將傳統(tǒng)木醋桿菌液態(tài)發(fā)酵基底替換為固態(tài)，穩(wěn)定了微生物合成的納米纖維素的界面，通過原位實(shí)時(shí)程序化沉積納米單元?dú)馊苣z，實(shí)現(xiàn)了原位生長的納米纖維素與不同納米單元的均勻復(fù)合，首次成功制備了一系列納米結(jié)構(gòu)單元含量可控、形狀規(guī)則的宏觀尺度大塊細(xì)菌纖維素納米復(fù)合材料。相對于傳統(tǒng)漿料法，該生物合成過程完整地保留了細(xì)菌纖維素的三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所制備的復(fù)合材料塊材保留了其納米單元納米尺度優(yōu)良性能的同時(shí)，且具有更為優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度。研究論文以“A general aerosol-assisted biosynthesis of functional bulk nanocomposites”為題發(fā)表于《國家科學(xué)評論》上（Natl. Sci. Rev. 2019, DOI: 10.1093/nsr/nwy1444）。論文作者為博士生管慶方及本科生韓子盟等。

圖1: 固態(tài)培養(yǎng)基-氣溶膠生物合成法示意圖。（a）自動發(fā)酵反應(yīng)器示意圖，空氣壓縮泵中的高壓氣體通過自動控制系統(tǒng)控制，到達(dá)反應(yīng)器頂端霧化噴頭后，將液體培養(yǎng)基與納米單元分散液霧化為連續(xù)氣溶膠，原位實(shí)時(shí)沉積到納米纖維素合成界面。（b-d）納米纖維素與零維（b）、一維（c）、二維（d）納米材料原位同步復(fù)合示意圖。

  研究表明，這種固態(tài)基底-氣溶膠生物合成法是一種通用的方法，可制備一系列由不同納米材料與細(xì)菌纖維素宏觀復(fù)合塊材，包括零維（0D）納米單元（二氧化硅納米球、四氧化三鐵微球、炭黑顆粒等），一維（1D）納米單元（碳納米管、硅酸鈣納米線、碳化硅線等），二維（2D）納米單元（氮化硼納米片、氧化石墨烯、納米粘土片等）。在所制備的塊材中，納米材料含量在0~85 wt%范圍內(nèi)可調(diào)，而且微觀上納米材料均勻地分布在宏觀尺度的三維納米纖維素塊材網(wǎng)絡(luò)中。

圖2：碳納米管/細(xì)菌纖維素復(fù)合材料形貌及性能。（a-c）碳納米管/細(xì)菌纖維素復(fù)合材料掃描電鏡照片，在不同尺度下，碳納米管與納米纖維素均勻纏繞分布。（d）復(fù)合材料的大規(guī)模制備（800×800×0.8 mm³）。（e, f）復(fù)合材料氣凝膠（e）、薄膜（f）的碳納米管含量與電導(dǎo)率關(guān)系曲線，插圖為數(shù)碼照片。（g）復(fù)合材料薄膜與文獻(xiàn)報(bào)道的同類材料強(qiáng)度與電導(dǎo)率對比。（h, i）生物合成法制備的復(fù)合材料薄膜與漿料法樣品的強(qiáng)度與模量對比。

  所制備的塊材很好地保留了其納米單元納米尺度的優(yōu)良性能。其中，碳納米管/細(xì)菌纖維素復(fù)合材料薄膜的導(dǎo)電性與力學(xué)強(qiáng)度綜合性能優(yōu)于以往報(bào)道的所有同類材料。此外，在保持高強(qiáng)度的同時(shí)，這種復(fù)合材料薄膜的電磁屏蔽性能也優(yōu)于已報(bào)道同類材料。這種常溫常壓下的微生物發(fā)酵過程不涉及使用任何有機(jī)溶劑，也不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)排放，具有環(huán)境友好、成本低等優(yōu)勢。特別是這種新的固態(tài)基底-氣溶膠生物合成法可靈活地與目前食品工業(yè)細(xì)菌纖維素生產(chǎn)工藝相結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)上述高性能復(fù)合材料塊材的工業(yè)化生產(chǎn)。這類納米復(fù)合材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

  該項(xiàng)研究受到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwy144