如果猛擊塑膠瓶會發生什麽？它會被壓扁。玻璃瓶呢？它會破碎。用工程術語來說，這意味著塑膠堅韌（tough），而玻璃堅硬（strong）。
大多數人造材料可以堅韌或堅硬，但不能兩者兼具。
現任職俄亥俄州伊頓市拉姆研究公司的工程師阿比納夫·拉奧（Abhinav Rao）在麻省理工學院攻讀博士學位期間，與其他研究人員共同創造了一種 既堅韌又堅硬的新材料 。這項研究部份由寶潔公司和國家國防科學與工程研究生獎學金資助。 拉奧和他的同事們在 2022年3月的【纖維素】（ Cellulose ）雜誌上介紹了他們是如何做到這一點的。他把創造這種材料的靈感歸功於「 大自然給我們的啟示 」。
一棵樹的樹幹粗壯結實，粗糙堅硬的皮層上有隆起的筋和縱裂的紋，像生鐵鑄就的模樣，是樹木堅固的象征；蔓延的根系深入地下，為樹木提供穩定的支撐。然而，一棵樹最堅固的部份不在於它的樹幹或蔓延的根系，而在於它的 微觀細胞壁 。
木質細胞壁由纖維素纖維組成，纖維素是地球上最豐富的聚合物，構成了所有植物和藻類的主要結構。每根纖維內部含有增強纖維素的 纖維素納米晶體（cellulose nanocrystals , CNCs） ，這些晶體是以近乎完美的晶體結構排列的有機聚合物鏈。 這些微小的晶體 形似牙簽 ，賦予纖維出色的結構強度。它們的尺寸極其微小，大約需要堆疊 500 個這樣的晶體，才能達到一根人類頭發絲的寬度。在 納米 尺度上，CNCs比杜邦Kevlar 更結實、更堅硬。如果能將這些晶體大量地加工成材料，那麽 CNCs 就能成為一種更堅固、更可持續的 天然塑膠 。
透過物理切割剝離、酶水解、化學酸解或氧化處理的自上而下（top-down）方法，工程師們可 去除 木材中的無定形纖維素和半結晶纖維素，得到 剛性短棒狀 的纖維素納米晶。正如木材科學家艾米麗·克蘭斯頓（Emily Cranston）解釋說：「我們正在將樹木分解到其最小的組成部份。」
圖中的纖維素納米晶體就像細小的牙簽或米粒。克蘭斯頓說，「你可以想象一下挑木棒（pick-up sticks），根據棍子落下的方式，你可以得到各種結構，"她解釋說。Kevin G. Yager and Emily Cranston
挑木棒（pick-up sticks）遊戲
一旦你有了一堆這樣的納米牙簽，可能性幾乎是無窮無盡的。克蘭斯頓說：「我們可以把樹變成各種很酷的東西。" 一些研究人員正在將纖維素納米晶體轉化為 電子元件 ；一些人正在用它們制造 醫療器材 ；還有一些人正在用它們來 凈化水 。日本的一個研究小組甚至用含有纖維素納米晶體的材料制造了一整輛 汽車 （該汽車圖片由日本環境省政府提供。根據MIT提供的相關媒體報道，該汽車使用的材料是CNC。而根據日本環境省政府網站的資訊，其采用的是另一類纖維素納米材料——纖維素納米絲，即CNF）。
這輛車來自樹木！但它不是直接用樹木制成的。科學家們只提取了木材中最堅韌、最結實的部份——纖維素納米材料，並將其添加到其他材料中。專家們希望這種秘密成分能讓我們大大減少塑膠的使用量。
不過，在拉奧的團隊出現之前，這些納米晶體在新材料中所占比例非常小（塑膠往往占其余部份）。 拉奧解釋說，這些材料之所以沒有包含更多的納米晶體，是因為納米晶體 容易結塊 。這樣一來，它們的微小牙簽形狀就會消失，也就失去了驚人的韌性和強度。
為了增加小牙簽的數量，使它們能擠在一起而不結塊，拉奧的團隊發明了一種
新的凝膠
。
這種凝膠從含有一些塑膠和纖維素納米晶體的液體開始制作。他們首先將合成聚合物溶液與市售的 CNC 粉末混合，並確定了可將溶液變成凝膠的 CNC 和聚合物的比例，這種凝膠的稠度既可以透過 3D印表機 的噴嘴送入，也可以倒入 模具 中澆鑄。
拉奧解釋說："此時，纖維素位於 底部 。」接下來，研究小組用 超聲波 振動液體，這就攪動了納米晶體，使沈積在底部的纖維素更有可能與聚合物分子形成牢固的結合。
一旦完全混合後，液體迅速 凝固 成凝膠體，幾秒鐘內便停止流動。這種凝膠比果凍硬得多——即使倒置杯子，凝膠也不會滑出。3D 印表機或成型機可以施加足夠的 壓力 ，將其塑造成新的形狀。 研究人員將部份凝膠註入3D印表機，其余的則倒入模具中進行鑄造。隨後，他們把打印出的樣品 幹燥 。在這個過程中，材料發生收縮，最終形成主要由纖維素納米晶體構成的固體復合材料。
作為測試，拉奧的團隊使用凝膠制作了一個牙齒形狀的物體。將這種凝膠暴露在熱量下，會使其硬化成固體並產生一定的收縮，最終強度和韌性 與某些類別的骨骼相當 。
這種材料未來有望用於制造 纖維素牙科植入物 以及其 他塑膠產品，使其更 堅固、耐用和可持續 。
拉奧的團隊發明了一種含有大量纖維素納米晶體的新材料。這種新材料既堅固又堅韌，其結構類似於人類牙齒中的琺瑯質。這也是研究小組決定將他們的材料制成這種牙齒形狀的原因。由A. John Hart 和 Abhinav Rao 提供，麻省理工學院新聞編輯
拉奧表示：「我們基本上是解構了木材，然後對其進行了重建。我們提取了木材中最佳的成分，即纖維素納米晶體，並對其進行了 重構 ，從而獲得了一種新的復合材料。」
他團隊設計的復合材料主要由纖維素納米晶體與少量合成聚合物混合而成，天然成分約占材料的 60%至90% ，這是迄今為止復合材料中最高的CNC含量。克蘭斯頓補充道：「這非常好，裏面含有大量的樹木成分。」
研究小組將復合材料打印並澆鑄成一分錢大小的薄膜，用來測試材料的強度和硬度。有趣的是，當研究人員在顯微鏡下觀察這種復合材料的結構時，發現其微觀結構成一種 磚墻狀圖案 ，類似於一些軟體動物的硬殼內層—— 珍珠母（Nacre） 。
鸚鵡螺殼內五彩斑斕的珍珠層
在珍珠母中，如果有裂紋，會形成「之」字形的微觀結構，可以 阻止裂縫直接穿過材料 。研究人員發現他們的新型纖維素復合材料也具備這種特性。
他們使用工具測試了材料的 抗裂性 ，先引發納米級裂縫，然後是微米級裂縫。結果顯示，在多個尺度上，纖維素的結構排列 有效防止了裂縫撕裂材料 。這種抗塑性變形的能力使該復合材料的硬度和剛度達到了介於傳統塑膠和金屬之間的水平。
e壓痕和 f 劃痕的高倍率影像顯示了微觀尺度的脆塑性，以及有助於提高體積延展性的斷裂增韌機制
展望未來，研究小組正在尋找將凝膠幹燥時的 收縮率降至最低 的方法。雖然在打印小型物體時，收縮並不是什麽大問題，但任何更大的物體都可能在復合材料幹燥時發生彎曲或開裂。 拉奧說：「 如果能避免收縮 ，我們可以繼續放大規模，甚至達到米級。大膽設想的話，我們可以用纖維素復合材料替代大量塑膠。」
我們需要具有特性的材料，如強度、韌性或耐久性。但我們還需要考慮另一種特性—— 環境友好 。由於纖維素納米晶體來自樹木，因此比塑膠或大多數其他合成材料更「環保」。
人們知道如何管理森林提供大量木材，也有可能從藻類甚至細菌中獲取這種晶體「牙簽」。與來自化石燃料的塑膠不同，這些纖維素材料幾乎是 無窮無盡的可再生資源 。
研究小組的機械工程學教授約翰·哈特（A. John Hart）說："透過在高負載下將纖維素納米晶體與聚合物材料復合，我們可以賦予聚合物基材料前所未有的 機械效能 。如果我們能用天然萃取的纖維素取代一些石油基塑膠，那無疑 對地球更有利 。"
塑膠在無法生物降解時也會對環境造成危害，而 纖維素晶體容易分解 。然而，當這些晶體與塑膠混合時，材料可能不易降解或回收，尤其是當它被設計得非常堅固和耐用時。克蘭斯頓說，工程師們必須在這些 重要特性之間找到平衡 。
