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Anomalous scaling law of strength and toughness of cellulose nanopaper

韧性 纤维素 材料科学 标度律 复合材料 机械强度 缩放比例 高分子科学 化学 数学 有机化学 几何学
作者
Hongli Zhu,Songming Zhu,Zheng Jia,Sepideh Parvinian,Yuanyuan Li,Oeyvind Vaaland,Liangbing Hu,Teng Li
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:112 (29): 8971-8976 被引量:288
标识
DOI:10.1073/pnas.1502870112
摘要

The quest for both strength and toughness is perpetual in advanced material design; unfortunately, these two mechanical properties are generally mutually exclusive. So far there exists only limited success of attaining both strength and toughness, which often needs material-specific, complicated, or expensive synthesis processes and thus can hardly be applicable to other materials. A general mechanism to address the conflict between strength and toughness still remains elusive. Here we report a first-of-its-kind study of the dependence of strength and toughness of cellulose nanopaper on the size of the constituent cellulose fibers. Surprisingly, we find that both the strength and toughness of cellulose nanopaper increase simultaneously (40 and 130 times, respectively) as the size of the constituent cellulose fibers decreases (from a mean diameter of 27 μm to 11 nm), revealing an anomalous but highly desirable scaling law of the mechanical properties of cellulose nanopaper: the smaller, the stronger and the tougher. Further fundamental mechanistic studies reveal that reduced intrinsic defect size and facile (re)formation of strong hydrogen bonding among cellulose molecular chains is the underlying key to this new scaling law of mechanical properties. These mechanistic findings are generally applicable to other material building blocks, and therefore open up abundant opportunities to use the fundamental bottom-up strategy to design a new class of functional materials that are both strong and tough.

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