《AM》植物纳米纤维素+水=“绿色超级胶水”，滴一滴，可承受180斤重量！

来源：高分子科学前沿

在最新一期的《先进材料》封面论文上，由芬兰阿尔托大学、东京大学、四川大学、英属哥伦比亚大学的研究人员所组成的国际化团队证明，仅通过植物来源的纤维素纳米晶体（CNC）即可以形成一种超强粘合剂。该粘合剂展现了超级的性能和极低的成本，以及完美的可持续发展新材料的概念 —— “绿色超级胶水”。图1 亲水性基材（如载玻片）之间的受限蒸发诱导自组装过程（C-EISA），通过纤维素纳米晶体（CNC）在界面超结构化组装所产生的粘合剂。与传统的超级胶水不同（例如“万能胶”），绿色超级胶水在特定的方向上具有最强的粘合强度，类似于“Peel and Stick”胶粘剂。但是，当尝试沿粘结的主平面分离粘合的组件时，与垂直于该平面的方向相比，强度要高70倍以上。根据该研究团队的测试，只需滴一滴“绿色超级胶水”就足以承受90公斤的重量；但同时又可以根据需要通过一个手指触摸轻松去除粘合性。正如该文第一作者阿尔托大学Blaise Tardy博士所说，“仅需几滴来自天然植物的溶液就可以承担如此巨大的重量，这是极为不可思议的科学现象”。在该研究中，纤维素纳米晶体（CNC）的水分散体，在受限的蒸发诱导的自组装的作用下（称为C-EISA），会在固体界面形成超结构的粘附层。由于在有限蒸发过程中产生的应力，具有超强强度的CNC（抗拉刚度 > 140 GPa）在多个长度范围内排列成高度有序的薄片。同时，CNC的这种有序结构自组装还会产生显着的各向异性粘合强度。图2. 存在于界面之间的C-EISA多尺度的超结构和组装机制示意图。该模型揭示了仅仅通过CNC的结构自组装既可以实现超强的界面胶粘性质。这些特性可用于保护可能遭受突然物理冲击的机器中的易碎组件（例如微电子中的高价值组件），或者在包装应用的新解决方案中提高有价值的结构和装饰元素的可重复使用性，以及用于开发更环保的高强度胶粘剂工程设计。由于其低成本和新的材料特性，该技术将有可能成为市场同类产品的领导者。与现代的工业方案中的高强度胶水制造方法相比较（涉及复杂且昂贵的合成路线），该团队的解决方案只是从植物中提取生物质颗粒，这使成本相对可忽略不计，而唯一需要的成分仅为一滴水。阿尔托大学Orlando Rajas教授特别强调到：“通过纤维素纳米粒子与水混合如何形成这样一个具有超级性能的粘合较的工作是国际化优秀团队合作的典范。”参与该工作的东京大学Hirotaka Ejima教授、四川大学的郭俊凌教授、墨尔本大学大学的Joseph Richardson博士十分赞同这样的说法，因为在过去多年中，他们都保持着长期的合作关系，这种密切的合作关系促进了多学科背景研究员广泛及深入的交流。该工作中是他们长期合作的一个典型例子，他们共同设计新材料的配方，研究胶体与界面自组装的物理化学性质，以及对各种科学问题的深层次探索。图3 偏光显微镜对界面之间CNC超结构自组装形成的微结构进行了解析，随之蒸发时间的推移，CNC有序的由外向内产生限制空间的自组装。在谈到该“绿色超级胶水”的应用前景的时候，Blaise Tardy博士谈到：“对于现代包装业，即使有绿色的包装，传统的胶水仍然会使包装过程称为非绿色环保的污染源，尤其是在世界物流业蓬勃发展的今天”。郭俊凌教授所带领的四川大学轻工科学与工程学院BMI研究中心科研团队，一直长期致力于对生物质高值利用的研究，构建了一系列具有一定国际影响力的生物质新材料和新技术。他尤其提到要进一步加强我国生物质资源的深度开发与利用，必须要引入多学科、多前沿领域的深度交叉，才能获得对传统产业升级的关键科学钥匙；他提到：“全球范围内对于生物质新材料的的研究和发展，已经使生物质原材料的产量和高值转化产品不断增长。仅以纤维素纳米晶体的产业规模作为例子，其超过四千亿的工业价值拥有令人期待的研究以及应用前景。”