來源 | Small

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背景介紹

輕質隔熱材料對于運輸和儲存溫度敏感的物品、電子設備熱管理、優化建筑物內部的舒適性至關重要。常用的商業絕緣隔熱材料包括聚合物基隔熱泡沫，如膨脹聚苯乙烯(EPS)和膨脹聚乙烯(EPE)。諸如此類的塑料是造成碳排放的核心因素之一，占全球碳排放量的15%。因此，利用天然可生物降解的聚合物制造高度可持續和節能的材料可以最大限度地減少對化石燃料的依賴，并抑制人類活動產生的溫室氣體排放。

木材是一種綠色環保的材料，具有可再生性和豐富的可用性，它的層狀結構和定向纖維排列使其重量輕，具有各向異性機械強度。基于木材制備的隔熱材料，如透明木材和木材氣凝膠已得到了大量研究。為了最大限度地減少固體的貢獻并增強孔隙結構的彎曲性，所有木質素和部分半纖維素都通過化學處理從木材中去除，這減少了木材內固體和氣體的傳導。

然而，化學預處理木質素脫除策略能耗高，制造過程復雜，經濟效益低。在環境條件下，活細胞可以從有機或無機基質中制造化學物質、藥物和復雜分子。例如，活細胞可以在有機物中定植，產生具有特定功能的水塑、生物支架和細菌纖維素。真菌是一類生長在有機基質上的活細胞，它分泌一系列酶，將纖維素等復雜成分分解成易于吸收的營養物質分子。

真菌子實體和菌絲已被制成納米彈性材料，其抗拉強度可達36.6 MPa，彈性模量可達8.0 GPa。但是，仍然需要物理和化學后處理方法。最近，通過直接將真菌定植在木質纖維素材料上，開發了天然復合材料。菌絲通過在基質顆粒之間建立穩定的網狀結構并穿透細胞壁來調節基質的自組裝，從而形成具有確定形狀和強度的多孔材料。因此，開發一種不經化學處理而具有優異機械性能的輕質保溫菌絲復合材料是一項具有挑戰性的工作。

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成果掠影

近期，北京林業大學曹金珍教授在開發替代泡沫基隔熱材料方面的研究工作取得新進展，該成果有助于實現碳中和目標。該團隊展示了一種由多個高級菌絲網絡(彈性模量為1.2 GPa)結合松散分布的木屑產生的具有層次多孔結構的菌絲復合材料，包括宏觀和微觀孔隙。討論了絲狀菌絲和復合材料的形態、生物學和物理化學性質，包括它們如何受到真菌菌絲系統的影響以及它們與底物相互作用的方式。該復合材料的孔隙率為0.94，在250-3000 Hz頻率范圍內(對于15mm厚的樣品)的降噪系數為0.55，導熱系數為0.042 W/mK。它也是疏水的，可修復的，可回收的。預計這種具有優異隔熱性能和機械性能的分層多孔結構復合材料將對輕質泡沫塑料的高度可持續替代品的未來發展產生重大影響。研究成果以“Mycelium Composite with Hierarchical Porous Structure for Thermal Management ”為題發表于《Small》。

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圖文導讀

圖1.復合材料制備過程的圖解和形態學照片。

圖2.復合材料的力學性能和結構示意圖。

圖3.天然和真菌處理木屑的結構特征。。

圖4.菌絲復合材料的保溫性能。

圖5.有限元建模分析。

圖6.菌絲復合材料的疏水性。

圖7.菌絲復合材料的可修復性和可回收性。

END

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