01、研究背景
粉末是离散单元的集合体，具有无限的纳米结构和应用可能性，在工业和实验室的第一手材料中占据主导地位。为了使粉末可使用，就必须把粉末加工成某些宏观几何形状，如块、线或膜。目前，烧结、成型、压制、挤出和涂覆等工艺，是粉末加工中成熟技术，但无论粉末设计得多么好，由于颗粒团聚和变性以及精细结构在加工过程中的坍塌，粉末颗粒的原始纳米结构通常在最终材料中丢失。随着现代技术进入纳米时代，当传统材料被缩小到纳米级时，会产生许多惊人的效果；然而，目前的加工技术很少能将这些精心设计的纳米尺寸效应能够有效保留在最终材料中。
02、研究成果
将粉末无损加工成具有丰富结构和功能可能性的宏观材料，具有不可估量的科学意义和应用价值，但使用传统加工技术仍然是一个挑战。鉴于此，浙江农林大学孙庆丰教授与华中科技大学翟天佑教授、李会巧教授合作开发了一种通用的粉末纤维化技术，通过使用2D纤维素作为介质，将各种粉末材料加工成微/纳米纤维，为颗粒提供结构支撑，并保留其自身的特性和结构。研究发现，自收缩力驱动2D纤维素和支撑颗粒褶皱并滚动成纤维，这一温和过程可防止粉末颗粒的团聚和结构损伤。研究者展示了120多个纤维样品，涉及成分、形态、粒度和密度不同的各种粉末。具有可调节直径和客体含量的定制纤维可以很容易构建成各种几何形状的高性能宏观材料，为不同的应用领域创建构件库。该纤维化技术提供了一种通用、强大和无损的途径，将初级颗粒和宏观应用连接起来。相关研究工作以“Fibration of powdery materials”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。
03、研究内容
研究者开发了一种通用的粉末纤维化技术，成功将11种元素、33种氧化物、5种碳化物、2种氮化物、1种磷化物、2种硫化物、4种有机物和几种混合物等各种粉末转化为120多种均匀的微/纳米纤维，并良好地保留了粉末的固有结构和性能。该技术提供了一个智能构件库，使用该库可以定制高性能人工材料，从而提供无限的可扩展性和可组合性（图1a）。扫描电子显微镜（SEM）图像（图1b）显示了46种单组分GAFs, 包括元素、化合物和有机物。对于每个样品，都显示出大面积的均匀纤维形态，无论客体成分如何，都显示出良好的成型效率和优异的纤维规则性。这些纤维的表面微观结构不同，有些光滑（如金刚石、Si），有些粗糙（如Ti、CuO），表明纤维微观结构随着粉末颗粒的特性而变化。这种纤维化技术可以扩展到更复杂的样品。
图1. GAFs示意图和形貌概述
为了阐明GAFs内客体颗粒的堆积状态，选择了16种具有代表性形态和尺寸的粉末状材料（图2a）。所有样品都表现出良好的纤维结构，无论客体颗粒大小和形态如何。放大的形态显示客体颗粒被包裹在纤维中，2D纤维素异构体起到将颗粒固定在一起的网作用。客体的原始形态和结构特征完全保留在纤维中，即使是脆弱和精细的纳米结构，如MnO2纳米花、ZnO纳米片和纳米块以及Fe-MOF纳米针。同时，纤维的微观结构随着客体粉末的形态而变化。因此，纤维化是一个非常温和的过程，不会对粉末颗粒造成损坏。对GAFs的直径进行统计分析，以确定纤维产品的尺寸分布。图2b显示，纤维直径主要小于3µm，以及直径小于1µm的纤维占83%，表明纤维直径与材料类型无关。
图2. GAFs的结构特征
研究者制备了100多个纤维样品，并研究了不同制备参数对纤维性能的影响。观察到纤维直径可以通过客体含量来调节。具有不同客体含量的200nm SiO2 GAFs的纤维形貌如图3a所示，直径随客体含量增加而增加。图3b显示，客体体积的含量与平均GAFs直径有明显关系，GAFs直径随客体含量的增加而增加。当使用各种粉末时，所得纤维在结构和性能上表现出很大差异，但材料类型、尺寸和形态上的差异对纤维的均匀性几乎没有影响（图3c）。图3d左显示，对于相同的客体分数f=1，由各种粉末材料组装的不同GAFs显示出近似的均匀性和可比纤维直径分布，如羟基磷灰石（HAP）、Zn-MOF、ZrC、Ag和TiN-GAFs。此外，当客体分数控制在~0.25-2.00时，纤维尺寸显示出非常窄的分布，并略有加宽，表明在宽范围的客体含量上，GAFs直径均匀性良好。
图3. 可控GAFs
本研究的GAFs具有独特的结构，为其提供了卓越的机械性能和结构灵活性。如图4a所示，以HAP粉末为例，将HAP-GAF膜折叠并用玻璃板按压几次，没有产生任何明显折痕。放大的折痕区域显示了每种纤维的不间断结构，证实了GAFs在单个纤维水平上的巨大灵活性。相反，由商用HAP纤维组装的膜在小角度弯曲后出现大的断裂（图4b）。然后，进行原位压缩试验，将ZnO-GAF与商业ZnO纤维进行比较（图4c-e）。在190MPa时，GAFs的弹性应变仅为1.04%，当压力加倍至380MPa时增加至3.05%。同时，商用ZnO纤维的弹性极限为190MPa和应变为10.56%，后在这个压力周围破裂。相比之下，研究者的GAF具有更高的抗压强度490MPa，塑性状态下12.45%应变。GAF的杨氏模量为10.3GPa，是纯ZnO纤维的五倍（1.8GPa）。结果表明，GAF纤维的刚性-柔性组装结构可以在不同情况下赋予优异的宏观/微观力学性能。此外，当加工成宏观材料（如薄膜）时，所得材料保持优异的宏观机械性能。
图4. GAFs的力学性能和集成多功能设计
04、结论与展望
总之，研究者开发了一种通用且温和的纤维技术，适用于从粉末到微/纳米纤维的各种材料，并保持了粉末颗粒的精确纳米结构和功能。纤维的形成主要由客体分散的2D纤维素异构体的物理收缩和卷曲引起，因此，无需复杂的化学试剂和合成过程。该纤维化技术显示出对各种粉末材料的高度可行性和广泛适用性。通过改变客体成分和含量，可以很容易地调整纤维成分和直径，为智能设计的灵活性和特定功能人工材料的广泛自由度提供了途径。人工材料可以定制为各种形状，如电线、气凝胶、块和膜，用于宏观应用中的一系列功能，具有充分表达和扩展的特性，为功能材料的设计和构建提供了无限的组合。
将粉末加工成多维人造材料是实际应用的前提。该研究在初级颗粒和最终宏观工程应用之间建立了一座先进的无损处理桥梁，各种精心设计的粉末可以转化为GAFs，展现出独特的功能和前所未有的性能。由于各种粉末的普遍性，纤维化技术能够为宏观材料创建一个纤维状构件库，为医药、环保、催化、能源、航空航天、光电材料、食品工程和日用品制造领域，提供了丰富的材料平台和无限的可能性。
05、文献
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-024-01821-3
