Hoogwaardige op biomassa gebaseerde nanocomposieten komen naar voren als veelbelovende materialen voor toekomstige structurele en functionele toepassingen vanwege hun milieuvriendelijke, hernieuwbare en duurzame eigenschappen. Bio-sourced nanocelluloses (een soort nanovezels) verkregen uit planten en bacteriële fermentatie zijn de meest voorkomende grondstoffen op aarde. Ze hebben de laatste tijd enorm veel aandacht getrokken vanwege hun aantrekkelijke inherente verdiensten, waaronder biologische afbreekbaarheid, lage dichtheid, thermische stabiliteit, wereldwijde beschikbaarheid uit hernieuwbare bronnen, evenals indrukwekkende mechanische eigenschappen. Deze eigenschappen maken ze geschikte bouwstenen voor het spinnen van de volgende generatie geavanceerde macrovezels voor praktische toepassingen.

In de afgelopen decennia, er zijn verschillende strategieën gevolgd om op cellulose gebaseerde macrovezels te verkrijgen met verbeterde sterkte en stijfheid. Echter, ze zijn bijna allemaal bereikt ten koste van rek en taaiheid, omdat sterkte en taaiheid elkaar altijd uitsluiten voor door de mens gemaakte constructiematerialen. Daarom, dit dilemma is vrij gebruikelijk voor eerder gerapporteerde op cellulose gebaseerde macrovezels, die hun praktische toepassingen sterk beperkten.

In een nieuw artikel gepubliceerd in de Nationale wetenschappelijke recensie , Onlangs, een bionica-onderzoeksteam onder leiding van prof. Yu Shuhong van de University of Science and Technology of China (USTC) zocht inspiratie om dit probleem op te lossen vanuit biologische structuren. Ze ontdekten dat de wijdverbreide biosynthetische vezels, zoals sommige plantaardige vezels, spin zijde, en dierenharen, hebben allemaal een aantal vergelijkbare kenmerken. Ze zijn zowel sterk als taai, en hebben hiërarchische spiraalvormige structuren over meerdere lengteschalen met stijve en sterke vezelachtige bouwstenen op nanoschaal ingebed in zachte en energiedissiperende matrices.

Geïnspireerd door deze structurele kenmerken in gebiosynthetiseerde vezels, ze presenteerden een ontwerpstrategie om op nanocellulose gebaseerde macrovezels te maken met vergelijkbare structurele kenmerken. Ze gebruikten bacteriële cellulose-nanovezels als de sterke en stijve bouwstenen, natriumalginaat als de zachte matrix. Door een eenvoudig natspinproces te combineren met een daaropvolgende meervoudige natdraaiprocedure, ze hebben met succes biomimetische hiërarchische spiraalvormige nanocomposiet-macrovezels verkregen, en realiseerden een indrukwekkende verbetering van hun treksterkte, rek en taaiheid gelijktijdig zoals verwacht.

Deze prestatie bevestigt de geldigheid van hun bio-geïnspireerde ontwerp en biedt een mogelijke route voor het verder creëren van vele andere sterke en taaie nanocomposietvezelmaterialen voor diverse toepassingen.