材料对极端环境的耐受性一直以来是对材料整体性能考察的重要指标之一。尤其是对应用于南极洲、火星和月球等极端环境的功能材料，其对极端环境的耐受性就决定了该材料在应用过程中的可靠性。通常在这些极端环境中，一些不利因素包括紫外线（UV）光、原子氧（AO）和高温和低温交替，容易导致材料的物理化学性质会发生变化，在严重的情况下通常会导致重要设备和设备的失效。为了解决这些挑战，人们使用和开发了各种基于金属、陶瓷和聚合物的材料。其中，金属和陶瓷具有优异的力学性能和对极端环境的容忍度，但金属基材料仍然存在高密度的问题，而陶瓷基材料由于其延展性较差，也存在太脆而不能制备成特定形状的缺点。然而聚合物具备轻质和可塑性的优势，但目前大多数聚合物基复合材料仍面临着高温软化性能差、低温脆性、耐热冲击性能差等问题。

近期，中国科学技术大学俞书宏院士、管庆方副研究员报道了一种受珍珠层启发的纳米材料，通过气溶胶辅助生物合成（AABS）策略，结合了合成云母（S-Mica）和细菌纤维素（BC），合成了一种具有优异的机械和电绝缘性能，对极端条件具有良好的耐受性纳米纸张材料。通过这一方法获得的BC/S-Mica纳米纸张对极端条件表现出优异的抗性，如交替高温和低温、紫外线和原子氧AO，使其成为极端抗环境材料的理想候选材料。此外，珍珠层激发的纳米纸张具有较高的抗拉强度（375 MPa）、优异的可折叠性和抗弯曲疲劳性。同时，“砖块”结构充分发挥了云母的高介电强度，使纳米材料具有较高的电击穿强度（145.7 kV mm-1）。与纤维素纳米材料相比，BC/S-Mica纳米纸张的电晕阻力寿命显著提高，甚至超过了商用聚酰亚胺（PI）薄膜。该工作以题为“Nacre-inspired bacterial cellulose/mica nanopaper with excellent mechanical and electrical insulating properties by biosynthesis”的文章发表有Advanced Materials上。

BC/S-Mica纳米纸张的合成和性能表征

本文主要选用细菌纤维素（BC），与天然植物纤维素相比，BC具有高纯度、高结晶度、高弹性模量和天然三维（三维）网络结构。制备方法如下：先将BC的菌株木马孢杆菌引入固体培养基表面，为BC的生长提供稳定的培养基-空气界面。在随后的BC生长过程中，通过气溶胶辅助给料系统将S-Mica悬浮液和液体培养基喷洒在BC生长的界面上（，这为BC/S-Mica复合水凝胶的形成提供了条件。.后，通过热压，将得到的复合水凝胶组装成.终致密的BC/S-云母纳米堆，其机械和介质强度性能优于大多数商业云母纸。

在上述AABS过程中，S-Mica纳米片以气溶胶的形式均匀分散到BC的生长界面上，保证了复合水凝胶的均匀性和可控性。在扫描电镜（SEM）下，可以观察到S-Mica纳米片均匀分布在水凝胶中BC的三维网络中。这种相互交织的CNFs的三维网络有效地结合和纠缠了s-云母，形成了两种成分之间具有强相互作用的复合水凝胶。

BC/S-Mica纳米纸张的性能和极端环境耐受性

在BC/s-Mica纳米结构的三维网络的联合作用下，所制备的纸张表现出优异的强度、模量和韧性。BC/s-Mica纳米纸张（15.7 wt%）具有高强度（~375 MPa）、高模量（~14.9 GPa）和高韧性（~16.44 MJ m-3），与纯BC纳米纸张相比分别提高了25.0%、54.6%和164.3%（。这种机械性能的提高可以归因于三个主要原因。首先，s-Mica将通过纳米片上的表面氧原子与纤维素纳米纤维形成氢键，从而增强了两个组分之间的相互作用。其次，S-云母纳米片的加入限制了新生成的纳米纤维的形状和取，导致了更细的纤维素纳米纤维。第三，由S-Mica和BC形成的珍珠层启发结构也可以通过抑制裂纹的起始和扩展来提高纳米颗粒的力学性能。采用循环弯曲试验来检验纳米材料的抗疲劳性能。经过100000循环弯曲应用负荷250 g，纳米锥保留84%的强度和94%的韧性，证明了良好的抗疲劳性能。

云母纳米片的二维层状结构使其与垂直于解理面的电场力高度绝缘，从而产生极高的介电强度由于添加了云母纳米片，这种BC/S-Mica纳米纸张也有优异的电绝缘性能。随着云母含量的增加，BC/S-Mica纳米颗粒的介电强度呈上升后下降的趋势，在15%S-Mica含量下性能.好（~145.7 kV mm-1）。值得注意的是，BC/S-Mica纳米纸张（云母含量27%）的电晕寿命是纯BC纳米纸的1107倍，是商业PI薄膜的100倍。此外，在相同的测试条件下，BC/S-BC/S-Mica纳米纸张的电晕阻力寿命明显优于之前报道的PI基薄膜和ANF基薄膜

为了验证材料对极高和低温交替环境的耐受性，引入了快速热冲击试验。我们将纳米纸张在烤箱和液氮（N2）之间来回交替，因此，样品被快速加热到120°C，然后冷却到-196°C。然后，我们测试了纳米材料在20次热冲击循环后的力学性能，如样品的拉伸强度-杨氏模量直方图所示。热冲击后，纳米材料的力学性能没有明显下降，强度保持在初始值的98%。为了进一步测试纳米粒子对紫外线的抵抗力，将纳米粒子在2 W/m2强度的紫外线照射下暴露216小时。力学性能和电学性能的结果表明，该纳米材料仍保持了90%的介电强度和99%的抗拉强度。除了紫外线外，另一种极端条件原子氧（AO）也对材料有致命的影响。令人惊讶的是，这种纳米纸张对AO也具有良好的耐受性，在AO通量为1×1016 atoms cm-2辐照6小时，而BC/S-云母纳米粒子的质量损失仅为0.088mg cm-2 。在AO照射后，纳米材料的介电强度保持在96%。

小结：该文报道了应用AABS策略复合S-Mica和BC，然后采用定向变形组装方法制备了具有显著电绝缘性能的超强BC基纳米纸张。在此过程中，得到的BC/s-Mica纳米纸张具有连续的BC三维网络，使纳米纸张具有优异的力学性能，包括高抗拉强度、可折叠性和抗弯曲性能。此外，精细的结构设计使纳米纸张具有较高的介电强度和突出的电阻寿命。此外，这种基于BC的纳米纸张也对极端条件具有高度的抗性，如交替的高温和低温、紫外线和AO，这为未来对极端环境的探索提供了一个极好的材料选择。