Nouveaux Matériaux: Applications De Recherche Pour Les Nanopapiers Isolants À Base De Cellulose Biosynthétiques

Alors que l'exploration humaine des environnements extrêmes, tels que l'Antarctique, la Lune et mars, se poursuit, les conditions environnementales extrêmes émergentes, y compris les environnements ultraviolets (UV) intenses, l'oxygène atomique (Ao) et les environnements alternés à haute et basse température, sont devenues un obstacle majeur à l'exploration future.Dans ces environnements extrêmes, les caractéristiques physico - chimiques des matériaux changent et, dans les cas graves, peuvent même entraîner des dommages aux équipements et installations importants.Parmi les matériaux traditionnels, le métal et la céramique eux - mêmes ont d'excellentes propriétés mécaniques et une résistance aux environnements extrêmes, mais les matériaux métalliques sont confrontés à des problèmes de densité excessive et de poids excessif, tandis que les matériaux céramiques sont confrontés à des problèmes tels que la fragilité et la difficulté de traitement.D'autre part, alors que les polymères ont des caractéristiques de légèreté et de plasticité, la plupart des composites à base de polymère actuellement en service prolongé dans des environnements extrêmes créent des problèmes tels que le ramollissement à haute température et la fragilité à basse température.Par conséquent, la conception et la préparation d'un matériau de protection haute performance qui peut servir dans des environnements extrêmes pendant une longue période de temps est l'un des défis auxquels le domaine des matériaux est confronté.

Récemment, l'équipe de Yu shuhong, académicien de l'Académie chinoise des sciences et professeur à l'Université chinoise des sciences et de la technologie, a rapporté un matériau de papier nanométrique à base de cellulose haute performance qui peut encore conserver d'excellentes propriétés d'isolation mécanique et électrique dans des conditions extrêmes.Le nanopapier a été obtenu grâce à la méthode de biosynthèse assistée par aérosol (AABS) développée au début par l'équipe de recherche, qui utilise des nanofibres de cellulose (BC) produites par des bactéries pour enchevêtrer uniformément et étroitement le mica synthétique (S - Mica) dispersé dans le matériau.Les résultats ont été publiés dans Advanced Materials sous le titre NACRE - inspired Bacterial Cellulose / Mica nanopaper with excellent Mechanical and Electrical Insulation Properties by biosynthesis.

Figure 1 Préparation et structure d'un nanopapier composite.A) une représentation schématique du processus de construction du nanopapier Composite biosynthétique;B) photographies numériques du nanopapier;C) Structure « brique - boue » imitant la nacre de nanopapier.

Les chercheurs ont utilisé la stratégie AABS pour charger uniformément des nanofeuilles de mica synthétique dans un Hydrogel composite avec de la cellulose bactérienne, puis par pressage à chaud pour obtenir le matériau nanopaper final imitant la structure de nacre (Figure 1).Grâce à la structure fine "brique - boue" du nanopapier, le nanopapier obtenu présente d'excellentes propriétés mécaniques telles que haute résistance (~ 375 MPa), haut module (~ 14,9 GPA), haute ténacité (~ 16,44 MJ m - 3), pliabilité et résistance à la fatigue en flexion.Dans le même temps, la structure "brique - boue" à l'intérieur du matériau joue pleinement sur la haute résistance diélectrique du mica, conférant ainsi à ce nanopapier une résistance élevée au choc électrique (145,7 kV mm - 1).Par rapport aux nanopapiers de cellulose pure, la durée de vie de ce nanopapier composite est considérablement améliorée, dépassant même les films Polyimide (PI) disponibles dans le commerce.

Figure 2 propriétés combinées du papier nanométrique.A) Caractérisation des propriétés mécaniques du nanopapier;B - c) Les propriétés combinées du nanopapier par rapport aux matériaux isolants de la littérature;D) Comparaison des propriétés mécaniques avant et après résonance thermique du nanopapier;E) photographies du nanopapier plié dans l'azote liquide;F) coefficient de dilatation thermique du nanopapier;G) Caractérisation de la résistance du nanopapier à l'oxygène atomique;H - i) Caractérisation de la résistance du nanopapier aux rayons UV.

De plus, les nanopapiers BC / S - Mica rapportés dans cette étude présentent toujours d'excellentes propriétés combinées dans des conditions extrêmes telles que l'alternance haute et basse température, les rayons UV et l'oxygène atomique Ao, ce qui offre un excellent choix de matériaux de protection pour les futures explorations d'environnements extrêmes.

Les travaux de recherche connexes sont soutenus par le projet du Fonds national des sciences naturelles, le projet du Programme national de recherche et développement clés, le Programme d'innovation Collaborative des collèges et universités de Chine et le projet du programme de recherche et développement clés de la province de l'Anhui, etc.