Bioinspired composite materials from aligned cellulose nanofiber arrays with tailored surface functionalities

由具有定制表面功能的对齐纤维素纳米纤维阵列制成的仿生复合材料

基本信息

项目摘要

The surface of a material is of fundamental importance, because it determines its function and properties for the respective application regarding a potential interaction with its environment. Biological materials are able to change and develop as an inherent capability in order to restore or maintain the original functionality within certain limits. Natural materials and processes offer a tremendous pool of solutions to tailor and design a novel class of materials and surfaces also known as bioinspired materials, which have the potential to conquer complex multi-variant environments and applications. Our project is inspired by biological role models, which exhibit adaptive and dynamic surface properties. The focus of the proposed research lies in the development and characterization of flexible, adaptive, and switchable functional substrates for mechanical or liquid interaction. We envision the fabrication of these materials using aligned natural fibers such as cellulose for the development of engineering materials applying biological principles. In this project, we will follow three directions: i) exploration of natural vertically-aligned cellulose nanofibre arrays from mucilaginous plant seeds, ii) fabrication of similar cellulose nanofiber arrays following various synthetic routes based on biogenic material choices, i.e. cellulose nanofibers, and iii) combining both microscopy techniques and tribological methods to characterize the properties of biological systems and biologically-inspired artificial materials with enhanced adhesive, frictional, and other functional properties. Responsive surface structures with adaptive characteristics will be generated from aligned cellulose nanofibers via a tailored chemical functionalization in order to achieve an adaptive wettability, tribological properties, and adhesion. Our proposed materials are based on renewable resources and are environmentally benign, which fits well to the biological transformation in industry and society.
材料的表面至关重要,因为它决定了其与环境潜在相互作用的相应应用的功能和特性。生物材料能够作为一种固有的能力发生变化和发展,以在一定限度内恢复或保持原有的功能。天然材料和工艺提供了大量的解决方案来定制和设计一类新型材料和表面,也称为仿生材料,它们有潜力征服复杂的多变量环境和应用。我们的项目受到生物角色模型的启发,该模型表现出适应性和动态的表面特性。拟议研究的重点在于用于机械或液体相互作用的灵活、自适应和可切换功能基板的开发和表征。我们设想使用纤维素等排列的天然纤维来制造这些材料,以开发应用生物学原理的工程材料。在这个项目中,我们将遵循三个方向:i)从粘液植物种子中探索天然垂直排列的纤维素纳米纤维阵列,ii​​)根据生物材料选择(即纤维素纳米纤维)的各种合成路线制造类似的纤维素纳米纤维阵列,以及iii )结合显微镜技术和摩擦学方法来表征生物系统和具有增强粘合、摩擦和其他功能特性的生物启发人造材料的特性。通过定制的化学功能化,由排列的纤维素纳米纤维生成具有自适应特性的响应表面结构,以实现自适应润湿性、摩擦学特性和粘附力。我们提出的材料基于可再生资源,对环境无害,非常适合工业和社会的生物转型。

项目成果

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