利用低共熔溶剂的蚕丝可控液相剥离，制备多功能蚕丝纳米纤维膜

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

具有多尺度分层结构的天然聚合物，如常见的纤维素、甲壳素、蚕丝，由于其具有可再生性、生物相容性、生物可降解性及低成本受到越来越多的关注。从这些天然聚合物中提取的纳米纤维由于其优异的机械性能、可调光学性质等，在许多领域，如先进能源生产和储存、环境工程、组织工程和绿色电子等受到了日益增多研究。蚕丝纤维（例如家蚕），是最强的弹性体天然生物材料之一，具有特别优异的强度、可拉伸性及韧性。蚕丝由直径约为30 nm纳米纤维构成，这种典型的纳米纤维结构赋予蚕丝优异的机械性能。近年来，蚕丝纳米纤维已经被处理成薄膜、凝胶等形式，用于光、电、生物工程等领域。然而，目前对蚕丝纳米纤维的制备报道较少，且存在制备方法较为复杂、所得到材料的性能较差、成本高及环境不友好等制约因素。

低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）是指由一定化学计量比的氢键受体（如季铵盐）和氢键给体（如酰胺、羧酸和多元醇等化合物）组合而成的两组分或三组分低共熔混合物。作为一种新型的绿色溶剂，低共熔溶剂具有优异的性能，如超低蒸气压、可重复使用、制备简单、可设计性、原子经济的制备过程等，被广泛应用于电化学、有机合成等领域。因此，应当通过选择适当的组分来设计具有特定结构和性质的DES以满足特定领域的应用。

中国人民大学牟天成（点击查看介绍）团队利用尿素/盐酸胍低共熔溶剂，实现了对蚕丝的简单、高效、可规模化与环境友好的液相剥离，得到的蚕丝纳米纤维直径可调（20-100 nm），且可稳定分散在多种溶剂中。而且，通过真空过滤制备的无支撑的蚕丝纳米纤维膜显示出纳米多孔结构、优异的机械性能、溶剂不溶性和热稳定性。其中，厚度约为10 μm的蚕丝纳米纤维膜的极限应力和杨氏模量分别为62.75 MPa和2.95 GPa。

这些独特的结构特征和增强的特性使蚕丝纳米纤维膜可用作超级电容器隔膜与过滤膜。以活性炭（AC）为电极材料所制备超级电容器具有优异的电化学性能，在循环伏安测试及恒电流充电/放电测试中表现出典型的双电层电容器行为。该蚕丝纳米纤维膜对于染料和蛋白质分子也均表现出优异的分离性能。

这一成果近期发表在Green Chemistry 上，文章的第一作者是中国人民大学的研究生谭醒醒。

该论文作者为：Xingxing Tan, Wancheng Zhao and Tiancheng Mu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Controllable exfoliation of natural silk fibers into nanofibrils by protein denaturant deep eutectic solvent: nanofibrous strategy for multifunctional membranes

Green Chem., 2018, 20, 3625, DOI: 10.1039/c8gc01609g

牟天成博士简介

牟天成，中国人民大学化学系副教授；2004年于中科院化学所取得博士学位，2004年7月起就职于中国人民大学；研究领域是新型绿色溶剂体系的制备与应用，在相关领域发表SCI论文100余篇，包括Chem. Rev.、Green Chem.、Chem. Commun.、ACS Appl. Mater. Interfaces 等；曾获得2016中国分析测试协会科学技术奖（CAIS）一等奖；现任RSC Advances 期刊Associate Editor、《过程工程学报》编委、北京热分析学会副理事长、中国化学会绿色化学专业委员会委员、中国化工学会离子液体专业委员会委员、中国化工学会超临界流体技术专业委员会委员等。

http://www.x-mol.com/university/faculty/14881

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：我们的研究兴趣是研究开发新型绿色溶剂及生物质的处理应用。蚕丝是人类最早利用的天然蛋白质之一，其固有特性在光，电，生物工程等领域受到了广泛关注。从蚕丝的微观结构来看，蚕丝由直径约为30nm纳米纤维构成, 这种典型的纳米纤维结构赋予蚕丝优异的机械性能。因此从蚕丝中直接提取蚕丝纳米纤维既可以得到天然纳米纤维又能保留其特征结构。尿素和盐酸胍作为常用的蛋白变性剂，能够破坏蛋白的非共价键（例如氢键）并降低蛋白质中疏水相互作用的强度。因此我们考虑由尿素/盐酸胍组成的低共熔溶剂有希望通过破坏蚕丝内部的氢键和疏水相互作用，从而直接将蚕丝纤维剥离为纳米纤维。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：本项研究中最大的挑战是如何控制蚕丝剥离过程，找到优化的剥离条件，以获得直径，长度可调控的蚕丝纳米纤维及性能优异的蚕丝纳米纤维膜。在这个过程中，我们团队在低共熔溶剂及生物质处理方面的经验积累起了至关重要的作用。

Q：该研究成果有哪些重要意义及可能的应用？

A：该研究最主要的意义在于首次用低共熔溶剂作为溶剂，实现了对蚕丝的简单、高效、可规模与环境友好的液相剥离，得到的蚕丝纳米纤维直径可调，且可稳定分散在不同溶剂中。该方法不仅可以分解原始纤维，而且还可以保留其纳米纤维结构，从而赋予蚕丝纳米纤维膜优异的机械性能。该蚕丝纳米纤维膜可用作超级电容器隔膜与过滤膜。另外，其还有望用于光，电，生物工程等领域。