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  隨著社會(huì)各界對(duì)于傳統(tǒng)石油基材料廢棄物引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題日益重視及“限塑令”的實(shí)施，傳統(tǒng)石油基材料被具有良好的生物相容性、可降解性、可再生性的生物基材料逐步取代是大勢(shì)所趨。生物基氣凝膠、泡沫等輕質(zhì)化材料作為生物基材料典型代表，具有低原料消耗、廢棄物可資源化優(yōu)勢(shì)，在生物傳感、醫(yī)療設(shè)備、汽車船舶等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而，輕質(zhì)化必將導(dǎo)致本身力學(xué)性能不足的生物基材料因密度急劇降低而力學(xué)性能進(jìn)一步大幅降低，因此限制了輕質(zhì)化生物基材料在各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。因此，為滿足實(shí)際應(yīng)用需求，輕質(zhì)化生物基材料的物理或化學(xué)改性增強(qiáng)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。但是，目前的改性手段均采取引入新物質(zhì)到生物基材料改性的方式，引入的新物質(zhì)不但增加了生產(chǎn)成本與難度，也大大增加生產(chǎn)制造過(guò)程中的不可控因素，不利于規(guī)�；a(chǎn)；同時(shí)改性的增強(qiáng)程度有限，難以實(shí)現(xiàn)高性能化；更在單方面加強(qiáng)力學(xué)性能時(shí)不可避免地對(duì)生物相容性、可降解性等其他性能產(chǎn)生不可控的負(fù)面影響。

  基于以上關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，西南大學(xué)黃進(jìn)教授和甘霖副教授團(tuán)隊(duì)提出了針對(duì)輕質(zhì)化生物基材料構(gòu)建負(fù)泊松比超結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能大幅提升強(qiáng)化的普適性方法，即在生物基材料基體內(nèi)部設(shè)計(jì)并構(gòu)建三維負(fù)泊松比胞元結(jié)構(gòu)陣列，通過(guò)自下而上的負(fù)泊松比效應(yīng)賦予輕質(zhì)化生物基材料超力學(xué)性能。該工作首先設(shè)計(jì)了功能性強(qiáng)、易調(diào)控的內(nèi)凹多面體胞元結(jié)構(gòu)，然后以典型生物質(zhì)聚酯—聚丁二酸丁二醇酯（PBS）為原料，采取綠色環(huán)保的超臨界流體發(fā)泡技術(shù)成功制得了輕質(zhì)化PBS多孔材料，最后在略高于軟化溫度的條件下通過(guò)軸向與徑向控比壓縮調(diào)控其泊松比，制得了負(fù)泊松比可調(diào)控的力學(xué)超材料—負(fù)泊松比PBS材料（PBS-NPR）。這一研究成果以題為Reversing Poisson′s Ratio of Biomass Foam to Be Negative to Achieve Super Mechanical Properties via Viscoelastic Compression發(fā)表在ACS Applied Polymer Materials上。

圖1. PBS超臨界發(fā)泡材料和PBS-NPR負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料的胞元設(shè)計(jì)、制備流程、產(chǎn)品及微觀結(jié)構(gòu)：PBS超臨界發(fā)泡材料在軸向（a）、徑向（b）上的孔隙；PBS-NPR材料在軸向（c）、徑向（d）上的孔隙；PBS超臨界發(fā)泡材料和PBS-NPR材料在壓縮過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，軸向部分（e），徑向部分（f）。

  如圖1a ~ d，經(jīng)軸向與徑向控比粘彈壓縮制備的PBS-NPR材料的微觀結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明，多孔PBS發(fā)泡材料的胞元結(jié)構(gòu)由正泊松比的凸多面體轉(zhuǎn)變成負(fù)泊松比的內(nèi)凹多面體。正是這種密布的負(fù)泊松比胞元陣列賦予了PBS-NPR材料宏觀負(fù)泊松比特性。此外，調(diào)控軸向與徑向的不同壓縮比例可獲得不同負(fù)泊松比特性的PBS-NPR材料，從而可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求滿足不同力學(xué)性能的輕質(zhì)化PBS-NPR材料針對(duì)性制造。如圖1e-f，輕質(zhì)化PBS-NPR材料在壓縮過(guò)程中的軸向和徑向應(yīng)力—應(yīng)變曲線分別表現(xiàn)出兩種典型的聚合物材料應(yīng)力-應(yīng)變行為：硬且韌、軟且韌。PBS-NPR材料內(nèi)部的取向胞元結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了PBS-NPR壓縮性能均呈現(xiàn)各向異性，可以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ诓牧狭W(xué)性能的個(gè)性化需求。相對(duì)于PBS超臨界發(fā)泡材料, PBS-NPR材料的軸向壓縮模量增加了359%，徑向壓縮模量增加了68%，軸向部分壓縮模量比徑向部分壓縮模量高904%；同時(shí)，軸向部分屈服強(qiáng)度比PBS超臨界發(fā)泡材料高840%，徑向部分屈服強(qiáng)度比PBS超臨界發(fā)泡材料高191%。該結(jié)果表明，軸向與徑向控比粘彈性壓縮引起的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)化實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)化PBS多孔材料的高力學(xué)性能。

  這種軸向與徑向控比粘彈壓縮負(fù)使輕質(zhì)化生物基材料高性能化的方法，不僅大幅提升了輕質(zhì)化生物基材料的力學(xué)性能，同時(shí)避免了傳統(tǒng)化學(xué)或物理改性手段的帶來(lái)的制造成本與技術(shù)難度增加及相關(guān)不可控因素。相對(duì)傳統(tǒng)改性手段，這種負(fù)泊松比的力學(xué)性能補(bǔ)強(qiáng)方法更加簡(jiǎn)單高效且普適性更強(qiáng)，更有利于規(guī)模化制造，可促進(jìn)輕質(zhì)化生物基材料在生物傳感、醫(yī)療設(shè)備、汽車船舶（如圖1g）等領(lǐng)域取代傳統(tǒng)環(huán)境不友好的石油基材料。

  西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士研究生何毅是該成果的第一作者，西南大學(xué)黃進(jìn)教授和甘霖副教授是通訊作者。該成果得到了包括國(guó)家自然科學(xué)基金在內(nèi)的多項(xiàng)基金的資助。

  論文鏈接: https://doi.org/10.1021/acsapm.0c01232