Cellulose–protein supramolecular entangled networks enable bioplastics with ultrahigh strength and broad-temperature stability
本研究展示了一种完全由生物质衍生的纤维素-蛋白质超分子生物塑料，该材料在极端温度范围（−196至180°C）内实现了前所未有的机械强度和结构稳定性，同时还具备可编程成型性和完全的可生物降解性。
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塑料已成为现代世界的定义性材料，然而它们在环境中的持久存在正引发一场日益严重的危机。传统塑料由化石燃料制成，虽然坚固且成本低廉，但它们无法自然降解，导致垃圾在填埋场和海洋中大量堆积。科学家们长期以来一直试图通过利用木材或玉米等可再生植物材料来创造生物塑料，以寻求解决方案。然而，这些环保替代品往往难以达到其石油基“表亲”的性能水平。它们往往更弱、更脆，并且无法在承受极端高温或低温的情况下保持形状或不发生断裂。挑战在于创造一种完全源自自然、完全可生物降解，且强度足以取代高要求应用场景中传统塑料的材料。
现在，一组研究人员开发出了一种新型生物塑料，它弥合了这一差距，将工业材料的强度与生物质的环境效益结合在一起。通过将两种常见的天然成分——竹纤维素和豆分离蛋白——编织在一起，他们创造出一种能够承受从液氮的极寒到炎热夏日的高温，同时仍能保持结构完整性的材料。研究人员将这种新材料称为 BS-生物塑料，它并不依赖合成化学品或化石燃料。相反，它利用植物和蛋白质分子通过氢键相互粘附的自然能力，形成了一个既坚韧又具有柔韧性的致密缠绕网络。
该过程始于竹纤维素（赋予植物刚性的纤维状物质）和豆分离蛋白（从大豆中提取的一种物质）。研究人员首先将纤维素溶解在一种专门的液体溶剂中，制成胶状混合物，然后加入豆分离蛋白。在这一阶段，混合物是柔软且具有柔韧性的，非常像一种浓稠的明胶。为了将这种柔软的凝胶转化为刚性塑料，团队使用乙醇（一种常见的酒精）对其进行了处理。这一步骤触发了分子层面的结构重组。豆分离蛋白分子含有能够与纤维素结合的特定化学基团，开始围绕着纤维素链进行卷曲和包裹。这一动作创造了一个由无数氢键锁定的致密交织网络。结果是一种既保留了其组分天然来源，又具备高性能工程材料机械鲁棒性的固体薄片。
在测试中，这种新型生物塑料展现出了卓越的强度。它能承受超过 125 兆帕的拉力，这一拉伸强度超过了许多常见的商业塑料，如丙烯酸和聚乳酸。它还表现出了极佳的抗弯曲能力，其刚度超过了 8 吉帕。或许最令人印象深刻的是，该材料在极宽的温度范围内保持稳定。研究人员将样本暴露在极端寒冷中，将其放入零下 196 摄氏度的液氮中浸泡 30 分钟；并将其置于极端高温中，在 180 摄氏度下烘烤 2 小时。在这两种情况下，该生物塑料都没有出现裂纹、熔化或变形。即使在这些极端处理之后，它仍保留了超过 85 兆帕的拉伸强度，这一性能是标准石油基塑料或以往的生物塑料在类似条件下都无法达到的。
这种材料的耐用性源于其独特的内部架构。计算机模拟显示，乙醇处理导致蛋白质链卷曲并与纤维素纤维缠绕在一起，创造了一个比原始凝胶更致密的网络。这种缠绕结构就像一个安全网，将应力均匀地分布在整个材料中，从而防止裂纹的形成或扩散。当材料受到冲击时（例如从高处掉落重物），它会吸收能量而不会破碎。在测试中，从 300 厘米高度掉落的锤子未能破坏这种生物塑料，而普通的塑料如丙烯酸和聚对苯二甲酸乙二醇酯在同样的条件下则遭受了严重损坏。这种强度与韧性的结合表明，该材料可用于防护装备、航空航天部件或耐用消费品。
除了物理强度之外，该材料还具有显著的环保优势。由于它完全由生物质制成，因此是完全可生物降解的。当埋入土壤时，该材料在数周内开始分解，并在 90 天内完全降解，不留下任何持久性废物。显微镜检查显示，微生物在表面定殖并消耗了该材料，证实了其回归大地的能力。此外，该材料是可回收的。研究人员证明，受损的生物塑料碎片可以经过再加工并重新塑造成新形状，且不会失去其基本特性。即使经过五次回收循环，该材料仍保持了超过 70 兆帕的拉伸强度，证明它可以成为循环经济的一部分，实现材料的重复利用而非丢弃。
针对生产这种生物塑料的经济分析表明，虽然目前的成本高于传统的石油基塑料，但大规模生产是可行的。主要的成本来自于生产过程中使用的溶剂和化学品，但研究人员指出，回收并重复利用这些材料可以显著降低价格。回收用于成型过程中的溶剂和乙醇的能力，使得生产方法更加可持续，并可能随着时间的推移更具成本效益。研究人员还对材料的安全性进行了测试，发现它对人类细胞无毒并支持细胞生长，这表明它在医疗器械或食品包装领域具有应用潜力。
这项工作代表了可持续材料开发的一个重要进步。通过展示简单的纤维素与豆分离蛋白组合在特定化学过程的引导下，如何创造出具有优异机械性能和热稳定性的材料，研究人员为生物塑料开辟了一条新路径。这种材料不仅是一个理论概念，而且是一种可以被模造成复杂形状（如蜂窝板或储物容器）并能承受现实世界条件的实体产品。尽管在优化生产工艺和降低成本方面仍面临挑战，但研究结果表明，高性能、完全可生物降解的塑料已近在咫尺。这一进展为塑料废弃物危机提供了一个充满希望的替代方案，提供了一种既能拥有我们今日所依赖的塑料之强韧，又不会留下任何痕迹的材料。
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