繼上海、成都和杭州等國內(nèi)城市之后，北京也開始全面進(jìn)行強(qiáng)制垃圾分類，正式施行《北京市生活垃圾管理條例》。
塑料作為我們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槌Ｒ姷睦?，盡管其具有輕便、結(jié)實和廉價的特點，是一種被人類廣泛使用的人造材料，但其在為人類生活提供便利的同時，也給人類帶來了巨大的危害。愈發(fā)嚴(yán)重的 “白色污染” 問題，已經(jīng)成為全人類亟需解決的共同難題。我們需要尋找一種綠色、高性能的塑料替代品。
日前，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊報告了一種高性能結(jié)構(gòu)材料——纖維素納米纖維板（Cellulose Nanofiber Plate，CNFP），有望在多個領(lǐng)域取代塑料。相關(guān)研究論文已發(fā)表在 Science Advances 雜志上。
塑料的不易降解性，導(dǎo)致其廢棄物可以長期存在。塑料自然降解時間長，有的甚至長達(dá) 100 年以上，而且往往使用一次就被丟棄，全球每一天都會大量廢棄塑料產(chǎn)生，這就導(dǎo)致 “白色污染” 問題愈發(fā)嚴(yán)重；此外，許多未經(jīng)回收的塑料最終會進(jìn)入海洋，在海浪、陽光和海洋動物的共同作用下，被分解成數(shù)百萬個微小碎片（即微塑料），微塑料可能會通過我們?nèi)粘３缘聂~或者喝的水進(jìn)入我們的血液和免疫系統(tǒng)，從而危害我們的身體健康。
作為一種 “事后” 手段，垃圾分類也僅僅有助于解決塑料的去向問題，并沒有從源頭上解決根本問題。尋找一種可行的塑料可替代品或許是一種更好的解決方案，這也是全球科研人員一直在努力攻關(guān)的方向。
近年來，設(shè)計同時具有互斥屬性（例如強(qiáng)度和韌性）的高性能結(jié)構(gòu)材料，尤其是基于納米構(gòu)件的結(jié)構(gòu)材料，引起了科研人員越來越多的興趣。當(dāng)這些納米構(gòu)件被 “組裝” 成宏觀尺度的材料時，許多納米級性質(zhì)就可以被擴(kuò)展到宏觀層面。特別是，用可再生和可持續(xù)的納米構(gòu)件來構(gòu)建一種高性能、綠色的塊狀結(jié)構(gòu)材料非常重要。
地球上的大多數(shù)植物在長期進(jìn)化過程中，纖維素基材料已經(jīng)被用來作為它們自己的結(jié)構(gòu)支撐材料。植物中的纖維素主要以纖維素納米纖維（CNF）的形式存在，具有出色的機(jī)械和熱學(xué)性能。CNF 可以從植物中提取，也可以由細(xì)菌產(chǎn)生，是地球上最豐富的綠色資源之一，它具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度、高剛度、易變形等優(yōu)良性能，是構(gòu)建宏觀高性能材料的理想納米級構(gòu)件，它比凱芙拉（Kevlar）和鋼具有更高的強(qiáng)度（2 GPa）和模量（138 GPa），并且與石英玻璃相比，它具有更低的熱膨脹系數(shù)（0.1 ppm/K）。
盡管人們已經(jīng)做了各種各樣的努力，來將 CNF 的這些納米級性能擴(kuò)展到宏觀水平，但迄今為止，只有宏觀的纖維和薄膜可以通過不同的策略來制備。例如，宏觀纖維是從木材 CNF 中獲得的，其楊氏模量為 86 GPa，抗拉強(qiáng)度為 1.57 GPa，超過了任何已知的天然或合成生物聚合物。此外，研究人員也設(shè)計出了強(qiáng)度高、透明度高、熱膨脹系數(shù)低的 CNF 薄膜，并將其用于電子器件、柔性顯示等領(lǐng)域。然而，在將 CNF 這種材料的納米級性能擴(kuò)展到立體塊狀結(jié)構(gòu)材料方面仍然存在挑戰(zhàn)。如果能夠構(gòu)建出一種可持續(xù)的高性能立體結(jié)構(gòu)材料，必將推動 CNF 的發(fā)展，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，為工程設(shè)計提供更多的材料選擇。
自人類誕生之初，材料就成為社會發(fā)展的基礎(chǔ)。在各種材料中，金屬、陶瓷和聚合物等結(jié)構(gòu)材料使用最廣泛。該 CNFP 具有較高的比強(qiáng)度，比鋼高 4 倍，比傳統(tǒng)塑料及鋁合金高。此外，CNFP 的比沖擊韌性高于鋁合金，密度僅為鋁合金的一半。
CNFP 的制備過程和結(jié)構(gòu)分析。A. 通過生物合成作用生產(chǎn) CNF 水凝膠；B. 水凝膠及其三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；C. 在 80 攝氏度溫度下通過壓縮多層 CNF 水凝膠制備 CNFP；D. CNFP 樣品示意圖；E. CNFP 的多層結(jié)構(gòu)；F. CNFP 單層結(jié)構(gòu)的納米纖維網(wǎng)絡(luò)；G. CNFP 中纖維素分子鏈通過氫鍵緊密結(jié)合；H. CNFP 樣品；I. 經(jīng)加工后的零件。（來源：Science Advances）
CNFP 與聚合物、金屬和陶瓷等多種材料的熱膨脹系數(shù)和比強(qiáng)度、比沖擊韌性對比，CNFP 優(yōu)于聚合物、金屬和陶瓷。A. 熱膨脹系數(shù)和比強(qiáng)度圖；B. 熱膨脹系數(shù)和比沖擊韌性圖。（來源：Science Advances）
與塑料或其他聚合物基材料不同，CNFP 具有極好的耐極端溫度和熱沖擊的性能。從 -120°C 到 150°C，CNFP 的熱膨脹系數(shù)低于 5 ppm/K，這接近于陶瓷材料，遠(yuǎn)低于典型的聚合物和金屬。此外，在 120°C 的受熱和 -196°C 的液氮之間連續(xù)進(jìn)行 10 次快速熱沖擊后，CNFP 仍能保持其強(qiáng)度。結(jié)果表明，該材料具有良好的耐熱尺寸穩(wěn)定性，在極端溫度和冷熱交替的條件下，具有作為結(jié)構(gòu)材料的巨大潛力。
CNFP 不僅具有出色的性能，由于其原材料獲取范圍廣，且采用生物輔助合成工藝，其成本也非常低，每公斤成本僅為 0.5 美元，低于大多數(shù)塑料。由于密度低、強(qiáng)度和韌性突出、耐熱尺寸穩(wěn)定性好，CNFP 的所有這些性能都超過了傳統(tǒng)的金屬、陶瓷和聚合物，使其成為工程需求的高性能和環(huán)保替代方案，將在輕量化抗沖擊防護(hù)及緩沖材料、空間材料、精密儀器結(jié)構(gòu)件等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其適用于航空航天領(lǐng)域。
論文指出，CNFP 不僅有能力取代塑料，使我們免于被塑料 “淹沒” 的危機(jī)，其作為下一代可持續(xù)、輕量化的結(jié)構(gòu)材料也具有巨大的潛力?；谶@種生物基和可生物降解的材料，可持續(xù)和高性能結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)建將極大地加快塑料替代。
也許在未來某一天，“白色污染” 問題將會徹底消失。
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