image: The biosynthesis strategy of functional bulk nanocomposites. a, Scheme of the bioreactor. Aerosols of liquid nutrient and nanoscale building block suspensions were fed into the bioreactor with filtered compressed air, which was controlled by an automatic control system. b to d, Schematic illustration of the formation uniform BC-based nanocomposites with 0D nanoparticles (b), 1D nanotubes or nanowires (c), and 2D nanosheets (d). e, Photograph of a large-sized CNTs/BC pellicle with a volume of 800×800×8 mm3. f, Comparison of the tensile strength of the biosynthesized CNTs/BC nanocomposites with blended CNTs/BC nanocomposites. g, Electrical conductivity of the CNTs/BC films as a function of CNTs volume and weight fraction. Reprinted with permission of Oxford University Press. view more
Credit: Science China Press
如何将纳米材料组装成宏观尺度体材料并保持其纳米尺度的独特性能，是纳米材料获得实际应用的关键，也是目前面临的重要挑战之一。将纳米材料组装成宏观尺度体材料可实现许多新的且单个纳米颗粒所不具备的性质，如光学、磁学、电学及离子传导性能等。
近日，中国科学技术大学俞书宏教授领导的研究团队发展了一种通用的生物合成方法——固态基底-气溶胶生物合成法。研究人员通过将传统木醋杆菌液态发酵基底替换为固态，稳定了微生物合成的纳米纤维素的界面，通过原位实时程序化沉积纳米单元气溶胶，实现了原位生长的纳米纤维素与不同纳米单元的均匀复合，首次成功制备了一系列纳米结构单元含量可控、形状规则的宏观尺度大块细菌纤维素纳米复合材料。相对于传统浆料法，该生物合成过程完整地保留了细菌纤维素的三维纳米网络结构。所制备的复合材料块材在保留其纳米单元纳米尺度优良性能的同时，具有更为优异的力学强度。该研究论文以“A general aerosol-assisted biosynthesis of functional bulk nanocomposites”为题发表于《国家科学评论》上（National Science Review 2019; DOI: 10.1093/nsr/nwy1444）。论文作者为博士生管庆方及本科生韩子盟等。
研究表明，这种固态基底-气溶胶生物合成法是一种通用的方法，可制备一系列由不同纳米材料与细菌纤维素的宏观复合块材，包括零维（0D）纳米单元（二氧化硅纳米球、四氧化三铁微球、炭黑颗粒等），一维（1D）纳米单元（碳纳米管、硅酸钙纳米线、碳化硅线等），二维（2D）纳米单元（氮化硼纳米片、氧化石墨烯、纳米粘土片等）。在所制备的块材中，纳米材料含量在0~85 wt%范围内可调，而且微观上纳米材料均匀地分布在宏观尺度的三维纳米纤维素块材网络中。
所制备的块材很好地保留了其纳米单元纳米尺度的优良性能。其中，碳纳米管/细菌纤维素复合材料薄膜的导电性与力学强度综合性能优于以往报道的所有同类材料。此外，在保持高强度的同时，这种复合材料薄膜的电磁屏蔽性能也优于已报道的同类材料。这种常温常压下的微生物发酵过程不涉及任何有机溶剂的使用，也不产生任何有害物质的排放，具有环境友好、成本低等优势。特别地，这种新的固态基底-气溶胶生物合成法可灵活地与目前食品工业细菌纤维素生产工艺相结合，有望实现上述高性能复合材料块材的工业化生产。这类纳米复合材料具有广阔的应用前景。
该项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、合肥大科学中心卓越用户基金的资助。
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文章信息：
A general biosynthesis strategy of functional bulk nanocomposites
Qing-Fang Guan, Zi-Meng Han, Tong-Tong Luo, Huai-Bin Yang, Hai-Wei Liang, Si-Ming Chen, Guang-Sheng Wang and Shu-Hong Yu
Natl Sci Rev 2019; doi: 10.1093/nsr/nwy144
https://doi.org/10.1093/nsr/nwy144
Journal
National Science Review