可生物降解的聚合物壓電纖維，解鎖更多傳感和能量收集應(yīng)用

全球每年生產(chǎn)的塑料超過4億噸，其中包括購物袋和飲料杯等一次性用品。這些材料在進入環(huán)境后很長時間都不會被降解，因此，學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都在尋找既能提供與傳統(tǒng)塑料相似的物理特性，又能快速生物降解且不會對動植物造成傷害的材料。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國特拉華大學（University of Delaware）工程學院材料科學與工程系兼職教授Isao Noda發(fā)明、設(shè)計并合成了一種基于生物且可生物降解的聚合物替代材料。此后，通過與材料科學與工程系教授John Rabolt持續(xù)合作，發(fā)現(xiàn)這種聚合物還具有驚人的高壓電特性，這意味著它在彎曲或變形時能夠產(chǎn)生電能。

這項專利技術(shù)的主要發(fā)明人Isao Noda和John Rabolt教授：該技術(shù)利用可生物降解的生物基聚合物Nodax制造包括傳感器和執(zhí)行器在內(nèi)的壓電器件。

現(xiàn)在，該研究團隊已經(jīng)獲得利用這種創(chuàng)新材料制造壓電器件的美國專利權(quán)。此外，這項成果還在全球多個國家獲得了專利權(quán)，為其廣泛的潛在應(yīng)用和商業(yè)化鋪平了道路。

有機壓電材料示意圖（左）及照片（右），展示了這些材料如何引導電流。

工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)天然聚合物

在寶潔（P&G）擔任工業(yè)科學家期間，Noda的任務(wù)是為一次性尿布和包裝尋找一種新型可生物降解的材料。他研究了一類名為聚羥基脂肪酸酯（簡稱PHA）的聚合物，這是一種由細菌、其它微生物和植物制成的天然聚酯。Noda解釋說，問題在于當時已知的PHA太硬太脆，在大多數(shù)實際應(yīng)用中都無法發(fā)揮作用。

Noda解釋稱：“我當時做了大量的光譜特性分析，意識到我們應(yīng)該能夠找到能以特定方式改變PHA分子結(jié)構(gòu)的細菌。對于聚合物烷基側(cè)鏈，可以是甲基或乙基，它們不容易熔化或加工。但是，當我們把這個側(cè)鏈延長到三個碳原子，即丙基，甚至更長時，這種材料就突然變得更容易加工，并成為一種可延展、堅韌且有用的聚合物?！?/p>

如今，這種商品名為Nodax的可生物降解聚合物由Danimer Scientific公司以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，該公司是一家生物技術(shù)公司，致力于創(chuàng)造可替代傳統(tǒng)塑料的可持續(xù)材料。特拉華大學與Danimer Scientific公司保持著持續(xù)的合作關(guān)系，后者為最近的專利申請?zhí)峁┝酥С帧?/p>

與標準塑料的制造方法不同，Nodax是在大型罐中由細菌利用植物原料制造的。配制好的Nodax聚合物隨后可銷售給其它公司，用于制造各種終端產(chǎn)品，其生物降解率與纖維素或食物垃圾類似。

Nodax聚合物可用于制造各種終端產(chǎn)品，其生物降解率與纖維素或食物垃圾相似。

Danimer Scientific公司業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁Keith A. Edwards表示：“Danimer Scientific公司率先對天然PHA進行商業(yè)化生產(chǎn)，為吸管、餐具、紙張涂層、咖啡包和柔性薄膜等多種不同的餐飲和包裝應(yīng)用提供可再生、完全經(jīng)過認證的生物降解和堆肥材料。”

通過基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)新特性

當然，Nodax生物聚合物規(guī)?；a(chǎn)后，對它的研究并沒有停止。2012年，Noda受邀在特拉華大學做了一次演講后，會見了多年的同事Rabolt，決定將他多年積累的一些材料研究轉(zhuǎn)向支持基礎(chǔ)研究。Noda還在2013年至2019年期間擔任了Danimer Scientific公司高級副總裁，目前仍是該公司董事會成員，他于2012年加入特拉華大學成為兼職教員。

在后來的研究中，Noda和Rabolt領(lǐng)導的研究團隊發(fā)現(xiàn)了PHA的更多獨特性能，其中包括具有高壓電特性的一種材料形態(tài)。

Rabolt說：“這是一次卓有成效的跨界合作，團隊包括了化學家、流變學家、物理學家，這種專業(yè)組合恰到好處，從而能夠理解這類獨特材料，并對其進行不同的處理和利用?！?/p>

他們的這一發(fā)現(xiàn)促使特拉華大學經(jīng)濟創(chuàng)新與合作辦公室（OEIP）在2019年申請了一項專利，該專利將Nodax作為一種制造壓電器件的生物可降解聚合物。該專利已于今年早些時候獲得授權(quán)，其發(fā)明人包括Noda和Rabolt。

“特拉華大學與Danimer Scientific公司的合作成果令人興奮，它有望帶來一連串的效益連鎖反應(yīng)?！監(jiān)EIP副總Julius Korley說，“隨著廠商將Nodax應(yīng)用于對公眾有用的器件，專利使用費將返還到特拉華大學，以獎勵我們的發(fā)明家，并進一步投資于研究和創(chuàng)新，同時讓我們的學生學會成為創(chuàng)新者?！?/p>

釋放新型壓電聚合物的潛力

Nodax具有很高的壓電特性，這意味著它望應(yīng)用于傳感器或執(zhí)行器。Nodax還可以替代聚偏二氟乙烯（PVDF），后者是一種由全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）制成的常見壓電材料。PFAS不易分解，某些類型已被證明會在環(huán)境和人們身體中積累。

混合“納米發(fā)電機”材料示例（左），可在驅(qū)動下生成電壓測量（右）。

盡管這種材料仍處于早期開發(fā)階段，但在基礎(chǔ)研究和潛在應(yīng)用方面開展進一步研究的可能性令Noda感到興奮。他說：“我們希望發(fā)現(xiàn)更多尚未被探索的特性，了解如何更好地制造這種材料，并使加工過程適應(yīng)工業(yè)規(guī)模，總之，我們要繼續(xù)進行基礎(chǔ)研究，這將有助于其它廠商的未來應(yīng)用?！?/p>

“有趣的是，隨著時間的推移，我們還可以進行更多不同的嘗試，或許能夠開發(fā)這種材料的鐵電或熱電性能，諸如此類。”Rabolt補充道，“對于這種新材料，我們還只打開了冰山一角?！?/p>

Danimer Scientific公司已經(jīng)在跟合作伙伴合作，利用Nodax生產(chǎn)紡織纖維，以取代PET和聚丙烯等傳統(tǒng)材料。現(xiàn)在有機會擴展到壓電纖維應(yīng)用領(lǐng)域，這是一個令人興奮的發(fā)展方向。

Danimer Scientific公司業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁Keith A. Edwards說：“PHA作為一種更完美的聚合物，在很多領(lǐng)域的應(yīng)用已近在眼前，Danimer與優(yōu)秀的合作伙伴特拉華大學一起開創(chuàng)了新的生物技術(shù)解決方案?！?/p>

織物壓電材料的顯微鏡圖像（右），相應(yīng)的三維剖面示意圖（左）。

審核編輯：劉清