Accounts of Materials Research |气溶胶辅助生物合成高性能复合材料取得新进展

近年来，随着纳米技术的不断发展，聚合物基纳米复合材料由于其优异的力学性能和功能性在材料领域发挥着越来越重要的作用。然而，如何实现聚合物基纳米复合材料的高效、大规模、绿色环保、可持续且高度可控的制备仍然是一个世界难题。然而，对微生物辅助复合材料制备过程的探索有望为该问题提供一种全新的解决方案。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队应邀在国际综述期刊《Accounts of Materials Research》上，发表题为“Growing Bacterial Cellulose-Based Sustainable Functional Bulk Nanocomposites by Biosynthesis: Recent Advances and Perspectives”的评述论文，合肥微尺度物质科学国家研究中心管庆方副研究员为该论文的第一作者。

作者详细评述了一种被命名为“气溶胶辅助生物合成”的复合材料原位制备新策略，并从其普适性、可控性、三维可设计性、可扩展性和可持续性等方面全面论述了该复合材料制备策略的巨大潜力。该策略巧妙地将纳米材料气溶胶的沉积过程和微生物原位合成高强度细菌纤维素三维纳米网络的过程相结合，成功实现了各种纳米材料在三维纳米网络中均匀分散，并制备得到了一系列兼具高强度和功能性的细菌纤维素基纳米复合材料。

首先，作者回顾了聚合物基复合材料的发展历程，进而从复合材料制备过程中的关键要素的时空分布的角度分析复合材料的制备方法，并首次提出了基于关键要素的时空匹配程度评价复合材料制备策略的观点，这一观点为复合材料制备方法的探索提供了新的思路和方向。而后，基于关键要素时空匹配的观点，作者分析了气溶胶辅助生物合成策略具有诸多优势的内在原因，指出了该策略的核心优势在于实现了细菌合成纳米三维网络和纳米材料沉积这两个关键过程的配合。具体来说，该策略是通过实现上述过程的关键要素（氧气、营养物质、细菌和纳米材料等）在时间与空间两个维度上的匹配，成功制备了兼具优异力学性能和功能性的纳米复合材料。在此基础上，可精确控制纳米材料气溶胶沉积过程为该策略带来了普适性、可控性和三维结构可设计性。同时，常温常压下的生物合成过程使得该策略具有充分的可扩展性、环保性以及可持续性。最后，作者展望了这类生物合成的纳米复合材料未来的发展方向以及该领域一些亟待解决的问题，并提出未来有望基于该策略构建高效、安全、低能耗的“细菌工厂”用于生产各类细菌纤维素基功能纳米复合材料的设想。

该项研究得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金重点项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/accountsmr.2c00028