俞书宏课题组Adv. Mater：耐受温度变化的超弹性和抗疲劳碳纳米纤维气凝胶

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具有超弹性和抗疲劳性的轻质可压缩材料，尤其是其中适应广阔温度范围的材料，是航空航天、机械缓冲、能量阻尼和软机器人等领域的理想材料。许多低密度的聚合物泡沫是高度可压缩的，但它们在重复使用时往往易疲劳，并在聚合物玻璃化转变和熔融温度附近发生超弹性退化。尽管研究者已经开发出各种热稳定的轻质金属和陶瓷泡沫材料，但它们通常都只具有最小的可逆压缩性，并且在循环变形下表现出疲劳。碳纳米管和石墨烯因其具有固有的超弹性和热机械稳定性，近年来被用作制备轻量超弹性材料的基本材料。虽然已有相关文献报道了这类材料的优异性能，但这些工作所涉及的复杂设备和制备过程使其只能制备毫米级尺寸的材料。另一方面，自然中从几亿年进化而来的复杂层次结构生物材料因其优异的力学性能而备受关注，然而由于它们是纯有机或有机/无机复合结构，通常只适合很窄的温度范围内工作。因此，将这些非热稳定的结构生物材料转化为具有固有层次结构的热稳定石墨材料，有望创造出热力学稳定的材料。

　　最近，中国科学技术大学俞书宏团队和梁海伟课题组报道了一种通过热解化学控制，将结构生物材料（BC，即细菌纤维素）热转化为石墨碳纳米纤维气凝胶（CNFAs）的方法。其制备的碳气凝胶完美地继承了细菌纤维素从宏观到微观的层次结构，具有显著的热机械性能。特别是在经历2×106次压缩循环后仍能保持超弹性而不发生塑性变形，在至少-100~500℃的大范围温度范围内具有优异的不随温度变化的超弹性和抗疲劳性能。这种气凝胶在热机械稳定性和抗疲劳性能方面比高分子泡沫、金属泡沫和陶瓷泡沫有独特的优势，实现了大规模合成，并具有生物材料的经济优势。相关成果以Temperature-Invariant Superelastic and Fatigue Resistant Carbon Nanofiber Aerogels 发表于《先进材料》（Adv. Mater.）期刊上。
　　该团队发展了一种利用无机盐对细菌纤维素（BC）进行热解化学调控方法，实现了大规模合成、形态保留的碳化新工艺，研制的碳纳米纤维气凝胶较好地继承了细菌纤维素从宏观到微观的层次结构，在较宽的温度范围内表现出明显的不随温度改变的超弹性和抗疲劳性能。由于碳纳米纤维气凝胶具有优异的热稳定机械性能并可实现宏量制备，在诸多领域将具有重要的应用前景，特别是适合极端条件下的机械缓冲、压力传感、能量阻尼及航天太阳能电池等。
　　相关研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中科院前沿科学重点研究项目、中科院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心等的资助。
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       细菌纤维素（Bacterial cellulose，BC）是指在不同条件下，由醋酸菌属（Acetobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）和八叠球菌属（Sarcina）等中的某种微生物合成的纤维素的统称。其中比较典型的是醋酸菌属中的葡糖醋杆菌（Glucoacetobacterxylinum，旧名木醋杆菌Acetobacter xylinum），它具有最高的纤维素生产能力，被确认为研究纤维素合成、结晶过程和结构性质的模型菌株。细菌纤维素的合成是一个通过大量多酶复合体系（纤维素合成酶，cellulose synthase，CS）精确调控的多步反应过程，首先是纤维素前体尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphoglucose, UDPGlu)的合成，然后寡聚CS复合物又称末端复合(terminal complexe, TC)连续地将吡喃型葡萄糖残基从UDPGlu转移到新生成的多糖链上，形成?茁-(1→4)-D- 葡聚糖链，并穿过外膜分泌到胞外，最后经多个葡聚糖链装配、结晶与组合形成超分子织态结构。人们早在古代就已经发现还有细菌纤维素的物质，如在《齐民要术》中就有在食醋酿制过程中发酵液表面形成凝胶状菌膜的记载。1976年，布朗（R. M. Brown）及其合作者首次描述了纤维素生物合成过程中醋酸菌的运动。25℃下细胞在合成和分泌纤维素微纤维时的移动速率为2.0微米/分，相当于每个细菌每小时把108个葡聚糖分子连接到?茁-(1→4)-D-葡聚糖链上。当亚纤维素聚合成束或带时形成反驱动力，推动细菌朝反方向运动。由细菌合成纤维素是一个低能耗的绿色过程，其以无毒的水溶性D葡萄糖为碳源，通过静态培养在培养基液体与空气界面之间由无病原的醋酸菌生产出纤维素。在纤维素的生物合成过程中，醋酸菌的运动控制了所分泌的微纤维的堆积和排列。通常醋酸菌在培养液中在三维方向的自由运动，形成高度发达的精细网络织态结构。


        俞书宏，安徽庐江人，1967年8月生。中国科学技术大学教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”长江特聘教授（2006年-）、国家杰出青年基金获得者（2003年-）、中国科学院“引进国外杰出人才”（2002年）、中央七部委“新世纪百千万人才工程”国家级人选（2006-）、国家重大科学研究计划项目首席科学家（2010-）。 1988年7月获合肥工业大学无机专业学士学位，1991年5月获上海化学工业研究院硕士学位, 1998年10月获中国科学技术大学化学系无机化学专业博士学位，1999年-2001年获在日本东京工业大学材料与结构实验室从事博士后研究，2001年?2002年获德国洪堡基金会(AvH)资助(任洪堡外国科学家研究员)，在德国马普学会胶体与界面研究所工作。2002年入选中国科学院“引进国外杰出人才”，在中国科学技术大学任教，博士生导师。现任中国科学技术大学化学系教授，合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）责任研究员，国家同步辐射实验室首批特聘研究员，上海交通大学客座教授，合肥工业大学兼职教授。


      梁海伟，中国科学技术大学化学系特任教授、博士生导师。于2006年7月获华东师范大学化学专业学士学位，2011年6月获中国科学技术大学博士学位，导师：俞书宏教授。2012年5月赴德国美因茨马普高分子研究所从事博士后研究，合作导师是Klaus Muellen教授和Xinliang Feng教授。今年初回国，入职中国科学技术大学化学系。迄今为止，共发表54篇SCI论文，其中第一作者论文14篇，包括2篇Nat. Commun., 1篇Acc. Chem. Res.，1篇J. Am. Chem. Soc.，1篇Angew. Chem. Int. Ed.和4篇Adv. Mater.等。论文共被引用3000余次，H-Index 30。研究兴趣包括碳基非贵金属电催化剂的设计和制备以及生物质纳米结构的宏量获取、化学功能化及应用研究。