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科技日報記者 吳長鋒
4月18日，科技日報記者從中國科學技術大學獲悉，該校俞書宏院士、管慶方副研究員等科研人員，利用合成云母和細菌纖維素，合成了一種具有優異機械和電絕緣性能，對極端條件具有良好耐受性的納米紙張材料，該材料表現出優異的交替高溫和低溫耐受性、抗紫外線和原子氧特性。這項研究成果日前發表在《先進材料》上。
這種納米紙張材料，具有較高的抗拉強度、優異的可折疊性、抗彎曲疲勞性、較高的電擊穿強度。與纖維素納米材料相比，這種納米紙張材料的電暈阻力壽命顯著提高，甚至超過了商用聚酰亞胺薄膜。
如果把地球上的功能材料應用于火星和月球等極端環境，其在應用過程中的可靠性取決于其對極端環境的耐受性。通常，在這些極端環境中，一些不利因素包括紫外線、原子氧和高低溫交替等，容易導致材料的物理化學性質發生變化，更有甚者會導致重要設備失效。
為了解決這些挑戰，人們使用和開發了各種基于金屬、陶瓷和聚合物的材料。其中，金屬和陶瓷具有優異的力學性能和對極端環境的容忍度。但金屬基材料同陶瓷基材料相比密度高；而陶瓷基材料也存在因太脆而不能制備成特定形狀的缺點；聚合物雖然具備輕質和可塑性的優點，但大多數聚合物基復合材料存在著高溫耐軟化性能差、低溫脆性、耐熱沖擊性能差等問題。
研究人員介紹，他們選用的細菌纖維素，具有高純度、高結晶度、高彈性模量和天然三維網絡結構。研究人員先將細菌纖維素的菌株木馬孢桿菌引入固體培養基表面，為細菌纖維素的生長提供穩定的培養基—空氣界面。在隨后的細菌纖維素生長過程中，他們通過氣溶膠輔助給料系統，為復合水凝膠的形成提供了條件。最后，通過熱壓，他們將得到的復合水凝膠組裝成致密的云母納米堆，得到了納米紙張材料，其機械和介質強度性能優于大多數商業云母紙。
為了驗證該材料對極高溫和極低溫交替環境的耐受性，研究人員引入了快速熱沖擊試驗。他們將該納米紙張材料在烤箱和液氮之間來回交替，如此一來，材料被快速加熱到120℃，然后冷卻到-196℃。隨后，研究人員測試了該材料在20次熱沖擊循環后的力學性能。在熱沖擊后，該材料的力學性能沒有明顯下降，強度保持在初始值的98%。
為了進一步測試該材料對紫外線的抵抗力，他們將其在強紫外線照射下暴露216小時，力學性能和電學性能檢測結果表明，該材料仍保持了90%的介電強度和99%的抗拉強度。此外，這種納米紙張材料對原子氧也具有良好的耐受性，在原子氧大通量輻照6小時后，該材料的介電強度仍保持在96%。
研究人員表示，這項研究將為未來對極端環境的探索提供一種材料選擇。
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