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  隨著社會各界對于傳統(tǒng)石油基材料廢棄物引發(fā)的環(huán)境問題日益重視及“限塑令”的實施，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所趨。生物基氣凝膠、泡沫等輕質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，在生物傳感、醫(yī)療設備、汽車船舶等領域具有廣泛應用前景。然而，輕質化必將導致本身力學性能不足的生物基材料因密度急劇降低而力學性能進一步大幅降低，因此限制了輕質化生物基材料在各領域的實際應用。因此，為滿足實際應用需求，輕質化生物基材料的物理或化學改性增強成為近年來的研究熱點之一。但是，目前的改性手段均采取引入新物質到生物基材料改性的方式，引入的新物質不但增加了生產(chǎn)成本與難度，也大大增加生產(chǎn)制造過程中的不可控因素，不利于規(guī)模化生產(chǎn)；同時改性的增強程度有限，難以實現(xiàn)高性能化；更在單方面加強力學性能時不可避免地對生物相容性、可降解性等其他性能產(chǎn)生不可控的負面影響。

  基于以上關鍵科學問題，西南大學黃進教授和甘霖副教授團隊提出了針對輕質化生物基材料構建負泊松比超結構實現(xiàn)力學性能大幅提升強化的普適性方法，即在生物基材料基體內(nèi)部設計并構建三維負泊松比胞元結構陣列，通過自下而上的負泊松比效應賦予輕質化生物基材料超力學性能。該工作首先設計了功能性強、易調(diào)控的內(nèi)凹多面體胞元結構，然后以典型生物質聚酯—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)泡技術成功制得了輕質化PBS多孔材料，最后在略高于軟化溫度的條件下通過軸向與徑向控比壓縮調(diào)控其泊松比，制得了負泊松比可調(diào)控的力學超材料—負泊松比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負泊松比結構材料的胞元設計、制備流程、產(chǎn)品及微觀結構：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材料在壓縮過程中的應力-應變曲線，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材料的微觀結構表征結果表明，多孔PBS發(fā)泡材料的胞元結構由正泊松比的凸多面體轉變成負泊松比的內(nèi)凹多面體。正是這種密布的負泊松比胞元陣列賦予了PBS-NPR材料宏觀負泊松比特性。此外，調(diào)控軸向與徑向的不同壓縮比例可獲得不同負泊松比特性的PBS-NPR材料，從而可以根據(jù)現(xiàn)實應用需求滿足不同力學性能的輕質化PBS-NPR材料針對性制造。如圖1e-f，輕質化PBS-NPR材料在壓縮過程中的軸向和徑向應力—應變曲線分別表現(xiàn)出兩種典型的聚合物材料應力-應變行為：硬且韌、軟且韌。PBS-NPR材料內(nèi)部的取向胞元結構導致了PBS-NPR壓縮性能均呈現(xiàn)各向異性，可以滿足不同應用領域對于材料力學性能的個性化需求。相對于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，軸向部分屈服強度比PBS超臨界發(fā)泡材料高840%，徑向部分屈服強度比PBS超臨界發(fā)泡材料高191%。該結果表明，軸向與徑向控比粘彈性壓縮引起的負泊松比結構化實現(xiàn)了輕質化PBS多孔材料的高力學性能。

  這種軸向與徑向控比粘彈壓縮負使輕質化生物基材料高性能化的方法，不僅大幅提升了輕質化生物基材料的力學性能，同時避免了傳統(tǒng)化學或物理改性手段的帶來的制造成本與技術難度增加及相關不可控因素。相對傳統(tǒng)改性手段，這種負泊松比的力學性能補強方法更加簡單高效且普適性更強，更有利于規(guī)模化制造，可促進輕質化生物基材料在生物傳感、醫(yī)療設備、汽車船舶（如圖1g）等領域取代傳統(tǒng)環(huán)境不友好的石油基材料。

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

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