材料對極端環境的耐受性一直以來是對材料整體性能考察的重要指標之一。尤其是對應用于南極洲、火星和月球等極端環境的功能材料，其對極端環境的耐受性就決定了該材料在應用過程中的可靠性。通常在這些極端環境中，一些不利因素包括紫外線（UV）光、原子氧（AO）和高溫和低溫交替，容易導致材料的物理化學性質會發生變化，在嚴重的情況下通常會導致重要設備和設備的失效。為了解決這些挑戰，人們使用和開發了各種基于金屬、陶瓷和聚合物的材料。其中，金屬和陶瓷具有優異的力學性能和對極端環境的容忍度，但金屬基材料仍然存在高密度的問題，而陶瓷基材料由于其延展性較差，也存在太脆而不能制備成特定形狀的缺點。然而聚合物具備輕質和可塑性的優勢，但目前大多數聚合物基復合材料仍面臨著高溫軟化性能差、低溫脆性、耐熱沖擊性能差等問題。

近期，中國科學技術大學俞書宏院士、管慶方副研究員報道了一種受珍珠層啟發的納米材料，通過氣溶膠輔助生物合成（AABS）策略，結合了合成云母（S-Mica）和細菌纖維素（BC），合成了一種具有優異的機械和電絕緣性能，對極端條件具有良好的耐受性納米紙張材料。通過這一方法獲得的BC/S-Mica納米紙張對極端條件表現出優異的抗性，如交替高溫和低溫、紫外線和原子氧AO，使其成為極端抗環境材料的理想候選材料。此外，珍珠層激發的納米紙張具有較高的抗拉強度（375 MPa）、優異的可折疊性和抗彎曲疲勞性。同時，“磚塊”結構充分發揮了云母的高介電強度，使納米材料具有較高的電擊穿強度（145.7 kV mm-1）。與纖維素納米材料相比，BC/S-Mica納米紙張的電暈阻力壽命顯著提高，甚至超過了商用聚酰亞胺（PI）薄膜。該工作以題為“Nacre-inspired bacterial cellulose/mica nanopaper with excellent mechanical and electrical insulating properties by biosynthesis”的文章發表有Advanced Materials上。

BC/S-Mica納米紙張的合成和性能表征

本文主要選用細菌纖維素（BC），與天然植物纖維素相比，BC具有高純度、高結晶度、高彈性模量和天然三維（三維）網絡結構。制備方法如下：先將BC的菌株木馬孢桿菌引入固體培養基表面，為BC的生長提供穩定的培養基-空氣界面。在隨后的BC生長過程中，通過氣溶膠輔助給料系統將S-Mica懸浮液和液體培養基噴灑在BC生長的界面上（，這為BC/S-Mica復合水凝膠的形成提供了條件。.后，通過熱壓，將得到的復合水凝膠組裝成.終致密的BC/S-云母納米堆，其機械和介質強度性能優于大多數商業云母紙。

在上述AABS過程中，S-Mica納米片以氣溶膠的形式均勻分散到BC的生長界面上，保證了復合水凝膠的均勻性和可控性。在掃描電鏡（SEM）下，可以觀察到S-Mica納米片均勻分布在水凝膠中BC的三維網絡中。這種相互交織的CNFs的三維網絡有效地結合和糾纏了s-云母，形成了兩種成分之間具有強相互作用的復合水凝膠。

BC/S-Mica納米紙張的性能和極端環境耐受性

在BC/s-Mica納米結構的三維網絡的聯合作用下，所制備的紙張表現出優異的強度、模量和韌性。BC/s-Mica納米紙張（15.7 wt%）具有高強度（~375 MPa）、高模量（~14.9 GPa）和高韌性（~16.44 MJ m-3），與純BC納米紙張相比分別提高了25.0%、54.6%和164.3%（。這種機械性能的提高可以歸因于三個主要原因。首先，s-Mica將通過納米片上的表面氧原子與纖維素納米纖維形成氫鍵，從而增強了兩個組分之間的相互作用。其次，S-云母納米片的加入限制了新生成的納米纖維的形狀和取，導致了更細的纖維素納米纖維。第三，由S-Mica和BC形成的珍珠層啟發結構也可以通過抑制裂紋的起始和擴展來提高納米顆粒的力學性能。采用循環彎曲試驗來檢驗納米材料的抗疲勞性能。經過100000循環彎曲應用負荷250 g，納米錐保留84%的強度和94%的韌性，證明了良好的抗疲勞性能。

云母納米片的二維層狀結構使其與垂直于解理面的電場力高度絕緣，從而產生極高的介電強度由于添加了云母納米片，這種BC/S-Mica納米紙張也有優異的電絕緣性能。隨著云母含量的增加，BC/S-Mica納米顆粒的介電強度呈上升后下降的趨勢，在15%S-Mica含量下性能.好（~145.7 kV mm-1）。值得注意的是，BC/S-Mica納米紙張（云母含量27%）的電暈壽命是純BC納米紙的1107倍，是商業PI薄膜的100倍。此外，在相同的測試條件下，BC/S-BC/S-Mica納米紙張的電暈阻力壽命明顯優于之前報道的PI基薄膜和ANF基薄膜

為了驗證材料對極高和低溫交替環境的耐受性，引入了快速熱沖擊試驗。我們將納米紙張在烤箱和液氮（N2）之間來回交替，因此，樣品被快速加熱到120°C，然后冷卻到-196°C。然后，我們測試了納米材料在20次熱沖擊循環后的力學性能，如樣品的拉伸強度-楊氏模量直方圖所示。熱沖擊后，納米材料的力學性能沒有明顯下降，強度保持在初始值的98%。為了進一步測試納米粒子對紫外線的抵抗力，將納米粒子在2 W/m2強度的紫外線照射下暴露216小時。力學性能和電學性能的結果表明，該納米材料仍保持了90%的介電強度和99%的抗拉強度。除了紫外線外，另一種極端條件原子氧（AO）也對材料有致命的影響。令人驚訝的是，這種納米紙張對AO也具有良好的耐受性，在AO通量為1×1016 atoms cm-2輻照6小時，而BC/S-云母納米粒子的質量損失僅為0.088mg cm-2 。在AO照射后，納米材料的介電強度保持在96%。

小結：該文報道了應用AABS策略復合S-Mica和BC，然后采用定向變形組裝方法制備了具有顯著電絕緣性能的超強BC基納米紙張。在此過程中，得到的BC/s-Mica納米紙張具有連續的BC三維網絡，使納米紙張具有優異的力學性能，包括高抗拉強度、可折疊性和抗彎曲性能。此外，精細的結構設計使納米紙張具有較高的介電強度和突出的電阻壽命。此外，這種基于BC的納米紙張也對極端條件具有高度的抗性，如交替的高溫和低溫、紫外線和AO，這為未來對極端環境的探索提供了一個極好的材料選擇。