NML研究文章 | 水凝胶力学性能提升途径：细菌纤维素/氧化石墨烯的层-层自组装

1   提出了一种层-层自组装方法改进传统的原位静态培养法。

2   此自组装方法保证氧化石墨烯（GO）在细菌纤维素（BC）框架内的均匀分布，并可获得结构均匀的厚度大的BC/GO水凝胶。

3   相比纯BC水凝胶，BC/GO水凝胶的力学性能显著提高。

1  BC/GO纳米复合材料水凝胶的制备

在层-层自组装之前，通过传统的静态培养方法制备基膜（BC₀膜），并将该BC₀基膜置于容器中。层-层自组装方法包括多次循环，每个循环有两个连续的步骤。

第一步是将含有GO的培养基（水性悬浮液，约0.5 mL）液滴喷洒到BC₀基膜的表面上，使得层-层自组装过程（即生物合成，第二步）开始，通过无菌氧气的作用在基膜表面上生长BC/GO膜（厚度约为0.2-0.4 mm）。

在第二个循环中，生成的BC/GO膜作为新的基膜，第二个BC/GO膜通过生物合成生长（厚度与第一个BC/GO膜相同）。重复这些循环直至达到预期的水凝胶厚度（拉伸测试：约2 mm，形态分析：约5 mm）。

2  BC/GO纳米复合材料水凝胶的结构

SEM图像显示，BC/GO-1，BC/GO-2和BC/GO-3中的GO均匀分布在BC网络中。TEM图像进一步验证了BC/GO纳米复合材料的网状缠结结构。

3   BC/GO纳米复合材料水凝胶的力学性能

典型的拉伸应力-应变曲线显示，随着GO含量的增加，峰值负荷呈上升趋势，断裂应变呈下降趋势。BC/GO纳米复合材料水凝胶的拉伸强度和模量明显优于BC，且其提升程度取决于GO含量。

4   BC/GO纳米复合材料水凝胶的强化机制

通过层-层自组装方法生成的BC/GO水凝胶性能的提高可归结于以下因素：首先，如FTIR图谱显示，BC和GO之间形成的氢键确保了一维和二维组分之间的紧密结合。

其次，层-层培养模式改善了二维GO纳米片在三维BC基质中的扩散。最后，层-层培养模式促进了一维BC纳米纤维对二维GO纳米片的机械捆绑，从而形成叶脉状结构。

强氢键，紧密的机械捆扎和均匀分布是机械性能大幅提升的原因。

主要研究方向：

生物医用材料；复合材料；金属材料与热处理。

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Impact Factor:4.849

Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在 Springer 开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。