仿珍珠层结构高强度天然高分子/氧化石墨烯纳米复合薄膜

天然的生物材料是经过亿万年进化而形成的，其结构与功能已经达到完美程度。在众多的天然生物材料中，贝壳珍珠层由于其独特的结构、极高的强度和良好的韧性而受到广泛的关注，已成为制备轻质、高强、超韧层状纳米复合材料的结构模型。近些年来，受珍珠层独特的多尺度、多级次“砖-泥”组装结构启发，国内外学者已发展先进组装技术，以二维无机组装单元为“砖”，高分子为“泥”制备一系列仿生高强超韧层状复合材料。特别地，氧化石墨烯以独特的性质、丰富的来源以及易于制备等优势而成为理想的制备贝壳珍珠层状材料的二维无机组装单元。此外，随着高分子化工主要原料石油、煤炭等化石资源的日益枯竭，传统的非降解性有机高分子材料废弃物日益增多，造成极大的环境污染，直接威胁到人类的可持续发展，所以现今化学学科发展的一个重要趋势是以天然高分子取代传统的石油类塑料。

基于采用天然生物高分子材料构筑绿色纳米复合材料的研究趋势，以及仿生学的概念和最近发展的新技术启发，中国科学技术大学俞书宏教授课题组引入天然高分子—魔芋葡甘聚糖，成功制备了完全绿色的高性能人工仿贝壳珍珠层结构的氧化石墨烯-魔芋葡甘聚糖纳米复合薄膜，以期能取代传统的石油类塑料。由于魔芋葡甘聚糖有许多活泼的羟基，而氧化石墨烯表面存在含氧活性基团，这为通过氢键作用制备纳米复合薄膜提供基础。首先，将魔芋葡甘聚糖高分子通过氢键作用吸附到氧化石墨烯纳米片表面形成氧化石墨烯-魔芋葡甘聚糖杂化纳米片。然后，通过蒸发组装成功制备氧化石墨烯-魔芋葡甘聚糖类珍珠层状结构的纳米复合薄膜。实验结果表明, 氧化石墨烯与魔芋葡甘聚糖分子链间有强烈相互作用，添加氧化石墨烯能较大提高魔芋葡甘聚糖的模量值，显著提高复合膜材料的热性能和力学性能。相比纯魔芋葡甘聚糖薄膜，当加入7.5%的氧化石墨烯时，纳米复合薄膜的杨氏模量和拉伸强度分别提高92.6%和151.6%。此外，这种易宏量制备的复合薄膜展现良好生物相容性和生物活性，在取代传统石油类塑料和组织工程支架材料具有潜在应用前景。相关结果发表在近期出版的Small杂志上(Small 2015, 11, DOI: 10.1002/smll.201500486.)。