材料科學喜歡將自然和生物的特殊屬性作為模型。由美因茨約翰內斯古騰堡大學 (JGU) 的化學家 Andreas Walther 教授領導的研究小組成功地賦予材料一種仿生特性：只需按一下按鈕，薄薄的硬納米紙就會立即變得柔軟和富有彈性。

“我們?yōu)檫@種材料配備了一種機制，這樣強度和剛度就可以通過電氣開關進行調節(jié)，”沃爾特解釋說。一旦施加電流，納米紙就會變軟;當電流停止時，它重新獲得力量。例如，從應用的角度來看，這種可切換性對于阻尼材料可能很有趣。這項工作還包括來自弗萊堡大學和由德國研究基金會 (DFG) 資助的生活、適應性和能源自主材料系統卓越集群 (livMatS) 的科學家，并發(fā)表在Nature Communications 上。

來自海底的靈感：機械開關具有保護功能

這個案例中基于自然的靈感來自海參。這些海洋生物有一種特殊的防御機制：當它們在海底棲息地受到捕食者的攻擊時，海參可以適應并加強它們的組織，使它們柔軟的外表立即變硬。“這是一種從根本上難以復制的適應性機械行為，”Andreas Walther 教授說。隨著他們的工作現已發(fā)表，他的團隊成功地模仿了基本原理，使用一種有吸引力的材料和同樣有吸引力的開關機制，以一種改良的形式。

科學家們使用從樹木細胞壁中提取和加工的纖維素納米纖維。納米原纖維甚至比標準紙中的微纖維還要細，形成一種完全透明、幾乎像玻璃一樣的紙。這種材料堅硬而堅固，對輕質結構很有吸引力。其特性甚至可與鋁合金相媲美。在他們的工作中，研究團隊將電力應用于這些基于纖維素納米原纖維的納米紙。通過特殊設計的分子變化，材料因此變得靈活。該過程是可逆的，可以通過開/關開關進行控制。

“這是非凡的。我們周圍的所有材料都不是很容易變化，它們不容易從僵硬變?yōu)閺椥?，反之亦然。在這里，借助電力，我們可以以簡單而優(yōu)雅的方式做到這一點，”瓦爾特說. 因此，發(fā)展正在從經典的靜態(tài)材料轉向具有可自適應調整特性的材料。這與機械材料相關，因此可以使其更耐斷裂，或者與自適應阻尼材料相關，例如在過載時可以從剛性轉變?yōu)槿犴樞浴?/p>

針對具有自身能量存儲的材料進行自主開/關切換

在分子水平上，該過程涉及通過施加電流加熱材料，從而可逆地破壞交聯點。材料軟化與施加的電壓相關，即電壓越高，破壞的交聯點越多，材料變得越軟。Andreas Walther 教授對未來的展望也從電源開始：雖然目前需要電源來啟動反應，但下一個目標是生產一種具有自身儲能系統的材料，因此反應本質上是例如，一旦發(fā)生過載并且需要阻尼時，就會立即“內部”觸發(fā)。“現在我們仍然需要自己撥動開關，但我們的夢想是讓材料系統能夠自己完成這項工作。”

標簽： 仿生纖維素納米纖絲