中子射线在医疗保健、核电、航空航天等领域的广泛应用显著改善了人们的生活。然而，中子不带电，且穿透能力强，与其它种类的辐射相比具有更严重的放射生物学效应。因此，中子防护材料对于保护人类免受中子射线的辐照至关重要。现有的中子防护材料由混凝土和铝、铅等金属组成，可用于固定设施的防护。然而，这些材料的密度高、延展性差，显著限制了它们在可穿戴屏蔽场景中的应用。随着便携式中子源的快速发展，亟需设计和制造先进的可穿戴中子防护材料来保护个人免受高水平中子射线的辐照。
近期，四川大学石碧院士&廖学品教授团队基于天然皮革的结构及化学优势构筑了一种防护效果好且可穿戴的类“钢混结构”的中子防护材料。具体来说，利用天然皮革的三维多层级超分子组装结构作为钢筋框架，羧化改性碳化硼纳米粒子作为砂粒与天然皮革的活性位点发生配位及静电相互作用而被分散固定，石蜡作为水泥浆包覆在天然皮革的纤维表面进一步稳定碳化硼，从而制得高性能、高强度、轻质、可穿戴的先进碳化硼/石蜡/天然皮革（PB-NL）中子防护材料（图1）。
图1. 碳化硼/石蜡/天然皮革（PB-NL）中子防护材料的制备示意图
该研究使用聚丙烯酸树脂对碳化硼进行表面改性，成功向碳化硼纳米粒子的表面引入了带负电荷的羧基；以天然皮革中带正电荷的氨基及Cr3+等作为活性位点锚定碳化硼，从而分散功能元素；并利用纤维结构的两亲特性与石蜡发生作用，使石蜡在各级纤维表面包覆，形成纤维状的核–壳结构。根据表征结果可知，成功地通过分散及稳定功能元素，制得了富氢、富硼的天然皮革复合材料（图2）。
图2. PB-NL的组成及形貌表征
在PB-NL中，大量氢原子被负载在天然皮革的多层级纤维结构表面，这有利于诱导中子在这些结构中与氢原子发生反复多次的弹性散射，从而有效地耗散中子的能量；此外，PB-NL中的10B同位素可以和热中子发生10B(n,α)7Li核反应将其彻底吸收，并放出热量及氦气。通过这两种功能元素的协同作用，PB-NL展示出优异的中子防护性能，当碳化硼负载量达到58.61 mmol cm–3时，2 mm厚的复合材料对热中子的屏蔽能力高达96.93%，质量衰减系数高达13.13 cm2 g–1，两项指标均远优于碳化硼/聚乙烯对照样品（图3）。
图3. PB-NL的中子防护性能
此外，由于天然皮革以三维多层级超分子组装结构作为材料的框架，而负载功能元素均未对天然皮革的原始结构造成改变，因此PB-NL充分保留了天然皮革机械强度高、透水气性好、柔软等优点，其各项指标均远优于聚乙烯基对照样品，表现出优异的可穿戴性能。
图4. PB-NL的物理及机械特性
综上，该工作利用天然皮革构筑了类“钢混结构”的中子防护材料，解决了传统防护材料中功能组分分散性差、防护过程中生成的热量及氦气无法有效耗散等不足，成功制得了防护效果好、机械强度高、透水气性好、可穿戴的天然皮革先进中子防护材料。
该研究成果近期发表于Composites Part B: Engineering，四川大学轻工科学与工程学院博士研究生周继博为本文第一作者，四川大学轻工科学与工程学院廖学品教授和王亚平助理研究员为论文的通讯作者。本研究工作得到国家自然科学基金（22278279）的资助。
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Ferroconcrete-inspired construction of wearable composites with a natural leather matrix for excellent neutron-shielding performance
Jibo Zhou, Hao Li, Chun Wen, Yaping Wang*, Xuepin Liao*, Bi Shi
Compos. Pt. B-Eng., 2023, 266, 111043. DOI: 10.1016/j.compositesb.2023.111043
π-Lab 2022届博士后
王亚平
王亚平，博士，现为四川大学轻工科学与工程学院助理研究员，主要从事生物质功能材料方面研究。在国际重要学术刊物发表研究论文20余篇，其中以第一作者/通讯作者发表论文8篇。
所完成的天然皮革基辐射防护材料相关研究被国际顶级期刊Science在编辑推荐版块报道：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.2020.369.6510.twil
个人主页：
https://qfsp.scu.edu.cn/info/1034/10328.htm
编 辑：苑子恒 夏钟升
