可生物降解的聚合物压电纤维，解锁更多传感和能量收集应用

全球每年生产的塑料超过4亿吨，其中包括购物袋和饮料杯等一次性用品。这些材料在进入环境后很长时间都不会被降解，因此，学术界和产业界都在寻找既能提供与传统塑料相似的物理特性，又能快速生物降解且不会对动植物造成伤害的材料。

据麦姆斯咨询报道，美国特拉华大学（University of Delaware）工程学院材料科学与工程系兼职教授Isao Noda发明、设计并合成了一种基于生物且可生物降解的聚合物替代材料。此后，通过与材料科学与工程系教授John Rabolt持续合作，发现这种聚合物还具有惊人的高压电特性，这意味着它在弯曲或变形时能够产生电能。

这项专利技术的主要发明人Isao Noda和John Rabolt教授：该技术利用可生物降解的生物基聚合物Nodax制造包括传感器和执行器在内的压电器件。

现在，该研究团队已经获得利用这种创新材料制造压电器件的美国专利权。此外，这项成果还在全球多个国家获得了专利权，为其广泛的潜在应用和商业化铺平了道路。

有机压电材料示意图（左）及照片（右），展示了这些材料如何引导电流。

工业规模生产天然聚合物

在宝洁（P&G）担任工业科学家期间，Noda的任务是为一次性尿布和包装寻找一种新型可生物降解的材料。他研究了一类名为聚羟基脂肪酸酯（简称PHA）的聚合物，这是一种由细菌、其它微生物和植物制成的天然聚酯。Noda解释说，问题在于当时已知的PHA太硬太脆，在大多数实际应用中都无法发挥作用。

Noda解释称：“我当时做了大量的光谱特性分析，意识到我们应该能够找到能以特定方式改变PHA分子结构的细菌。对于聚合物烷基侧链，可以是甲基或乙基，它们不容易熔化或加工。但是，当我们把这个侧链延长到三个碳原子，即丙基，甚至更长时，这种材料就突然变得更容易加工，并成为一种可延展、坚韧且有用的聚合物。”

如今，这种商品名为Nodax的可生物降解聚合物由Danimer Scientific公司以工业规模生产，该公司是一家生物技术公司，致力于创造可替代传统塑料的可持续材料。特拉华大学与Danimer Scientific公司保持着持续的合作关系，后者为最近的专利申请提供了支持。

与标准塑料的制造方法不同，Nodax是在大型罐中由细菌利用植物原料制造的。配制好的Nodax聚合物随后可销售给其它公司，用于制造各种终端产品，其生物降解率与纤维素或食物垃圾类似。

Nodax聚合物可用于制造各种终端产品，其生物降解率与纤维素或食物垃圾相似。

Danimer Scientific公司业务开发副总裁Keith A. Edwards表示：“Danimer Scientific公司率先对天然PHA进行商业化生产，为吸管、餐具、纸张涂层、咖啡包和柔性薄膜等多种不同的餐饮和包装应用提供可再生、完全经过认证的生物降解和堆肥材料。”

通过基础研究发现新特性

当然，Nodax生物聚合物规模化生产后，对它的研究并没有停止。2012年，Noda受邀在特拉华大学做了一次演讲后，会见了多年的同事Rabolt，决定将他多年积累的一些材料研究转向支持基础研究。Noda还在2013年至2019年期间担任了Danimer Scientific公司高级副总裁，目前仍是该公司董事会成员，他于2012年加入特拉华大学成为兼职教员。

在后来的研究中，Noda和Rabolt领导的研究团队发现了PHA的更多独特性能，其中包括具有高压电特性的一种材料形态。

Rabolt说：“这是一次卓有成效的跨界合作，团队包括了化学家、流变学家、物理学家，这种专业组合恰到好处，从而能够理解这类独特材料，并对其进行不同的处理和利用。”

他们的这一发现促使特拉华大学经济创新与合作办公室（OEIP）在2019年申请了一项专利，该专利将Nodax作为一种制造压电器件的生物可降解聚合物。该专利已于今年早些时候获得授权，其发明人包括Noda和Rabolt。

“特拉华大学与Danimer Scientific公司的合作成果令人兴奋，它有望带来一连串的效益连锁反应。”OEIP副总Julius Korley说，“随着厂商将Nodax应用于对公众有用的器件，专利使用费将返还到特拉华大学，以奖励我们的发明家，并进一步投资于研究和创新，同时让我们的学生学会成为创新者。”

释放新型压电聚合物的潜力

Nodax具有很高的压电特性，这意味着它望应用于传感器或执行器。Nodax还可以替代聚偏二氟乙烯（PVDF），后者是一种由全氟和多氟烷基物质（PFAS）制成的常见压电材料。PFAS不易分解，某些类型已被证明会在环境和人们身体中积累。

混合“纳米发电机”材料示例（左），可在驱动下生成电压测量（右）。

尽管这种材料仍处于早期开发阶段，但在基础研究和潜在应用方面开展进一步研究的可能性令Noda感到兴奋。他说：“我们希望发现更多尚未被探索的特性，了解如何更好地制造这种材料，并使加工过程适应工业规模，总之，我们要继续进行基础研究，这将有助于其它厂商的未来应用。”

“有趣的是，随着时间的推移，我们还可以进行更多不同的尝试，或许能够开发这种材料的铁电或热电性能，诸如此类。”Rabolt补充道，“对于这种新材料，我们还只打开了冰山一角。”

Danimer Scientific公司已经在跟合作伙伴合作，利用Nodax生产纺织纤维，以取代PET和聚丙烯等传统材料。现在有机会扩展到压电纤维应用领域，这是一个令人兴奋的发展方向。

Danimer Scientific公司业务开发副总裁Keith A. Edwards说：“PHA作为一种更完美的聚合物，在很多领域的应用已近在眼前，Danimer与优秀的合作伙伴特拉华大学一起开创了新的生物技术解决方案。”

织物压电材料的显微镜图像（右），相应的三维剖面示意图（左）。

 

 

 

审核编辑：刘清