Science封面，又是“木头大王”胡良兵和他的超级木材
文 | 学术头条，作者 | 库珀，编审 | 寇建超
你能想象，木头材料经过一些科学手段加工后，强度和可塑性堪比一些金属材质么？“木头大王” 胡良兵等人关于木头的最新研究成果，又一次刷新了人们对木头的认知。
对于某一种材料而言，其形状与固有特性同等重要，例如，很多结构部件必须由能够物理成型而不牺牲机械强度的材料制成，轻质材料对于实际应用（如汽车、火车和飞机等）尤其有价值，因为减轻重量是提高燃油效率的最直接的办法。
因此，在实际生活中我们能看到，很多塑料和金属（如铝合金）材料用于机械结构支撑，因为它们具有低密度和易加工的特点，能通过挤压、铸造或铸模成型等不同方式加工成各种形状和尺寸的轻质结构组件。
图｜研究人员将“木材”折叠 180 度展现其柔韧性（来源：Science）
然而，放眼未来，人类需要开发更可持续的环保材料，以降低石化产品对环境的污染和金属材料的能源成本消耗，而木材，提供了一种全新可能。
10 月 22 日，胡良兵等科研人员报告了一种利用细胞壁工程将硬木平板塑造成多功能 3D 结构的加工策略，由此产生的 3D 模制木材，强度是原始木材的六倍，与广泛使用的轻质材料铝合金相当。这种方法大大拓宽了木材作为结构材料的潜力，有望对建筑和交通等领域应用产生巨大影响。相关研究论文以封面文章的形式发表在 Science 上。
“自上而下”的研究思路
木材是替代传统轻质结构材料的一种潜在候选材料，特别是考虑到其作为可再生资源的时候。
木制品可以通过替代碳密集型化石燃料材料以及提供长期碳储存来帮助缓解气候变化，同时还具有机械强度高、重量轻、成本低的特点。科学家已经证明了多种方法可以改善木材的性能和功能，使其能扩展到更广泛的应用，包括脱木素、致密化和其他改性。
但与金属和塑料相比，木材最大的短板是成形性一般较差。大部分加工木材的手段都很传统，是门手艺活儿，比如使用减法制造（雕刻、车削、机床等）和木工工艺将木材雕刻成复杂的三维（3D）形状，将木块零件拼接起来形成更复杂的力学结构，如中国古建筑中利用最多的斗拱结构。
这些“物理方法”通常能在批量范围内对木材进行加工，但没有改变木材固有的微观结构或材料特性，因此无法同时兼备高机械强度和良好的成型性，这限制了木材在高级工程领域的应用。
近年来，科学界研究了多种“自下向上”的路径，将木材分解成其组成部分，然后再加工成所需的形状和用途。例如可以将木材除颤成具有特殊机械强度（高达 3 GPa）的纤维素纳米纤维（CNF），然后使用高含水量泥浆（高达 98 wt%）将其加工成 3D 形式。但 CNF 复合材料的高石化聚合物含量降低了其作为可持续材料的优势，且牺牲了木材的自然层次结构和各向异性结构（沿树干纵向排列的高度对齐的通道和纤维），而木材的大部分自然强度和功能性都来自于此。
图｜通过部分脱木素与“水冲击”工艺相结合的褶皱细胞壁工程策略，使木材更坚固和可模塑。（来源：Science）
胡良兵等人采用了一种“自上而下”的研究思路。主要概念是基于部分脱木素和软化天然木材，通过干燥收缩其导管和纤维质，然后在水中“冲击”材料以选择性地打开导管，这种快速的水冲击过程形成了一种独特的部分开放、起皱的细胞壁结构，为压缩提供了空间，并能够承受高应变，使材料易于折叠和成型，使用这种可模塑木材可以实现不同形状和结构，然后通过空气干燥来去除剩余的水分，从而形成最终的 3D 模塑木材产品。
这种细胞壁工程改造不仅保持了木材固有的各向异性结构，也增强了木材纤维之间的相互作用，进一步提高了木头材料的机械强度，在实验中，研究人员演示了用木皮制造的蜂窝芯材料结构，其抗拉强度约为 300 MPa，类似于铝合金，但密度仅为约 0.75 g/cm，成本也更低。
实验证明，操纵木材的自然各向异性结构，将提高其作为于聚合物、金属和聚合物复合材料应用的可持续和替代品的潜力。
3D 可模塑木材的制备与性能
具体而言，研究人员首先使用了一种常见的水基去木质化工艺，从椴木的木质纤维细胞壁中去除了约 55% 的木质素和约 67% 的半纤维素，由于剩余细胞壁会吸水，部分和选择性地去除该疏水成分导致木材样品尺寸软化和轻度膨胀，其特征是亲水纤维素的比例较高，因此，部分脱木素木材的含水量约为 300 wt%。
然后，在环境条件下将部分脱木素木材风干约 30 小时，以去除水分并形成收缩木材中间物（~12 wt% 的含水量），接下来将收缩的木材浸入水中 3 分钟，研究人员称之为水冲击过程，该过程可部分重新膨胀细胞壁，并导致最终产品中样品尺寸的一些膨胀，称之为可模制木材（~100 wt% 水含量）。
湿的天然木材和收缩木材都难以弯曲而不断裂，而可模塑木材是高度可折叠的，这些样品中的木纤维平行于折叠方向，这种纤维取向的木板可以通过旋转切割按比例生产，避免了原材料长度和宽度的尺寸限制。
图｜天然木材、收缩木材和可模塑木材的微观结构（来源：Science）
同样是木头，为什么性能会产生如此大变化呢？利用扫描电子显微镜（SEM），研究人员观察了这些木材样品的微观结构，更好地了解了其中的工艺结构和性能关系。
天然木材具有三维层次的多孔细胞结构，有许多中空的导管和纤维。由于木质素和水的去除，这些开放的细胞在收缩的木材中几乎完全闭合，形成高度致密的结构；形成可模塑木材的水冲击处理产生了独特的褶皱细胞壁结构，其中导管部分打开，而纤维几乎完全闭合。
部分打开的导管在可模塑木材内创造空间，以“手风琴式”的形态容纳更多压缩和拉伸变形，允许材料在折叠时承受严重的压缩和拉伸，甚至达到 180° 而不开裂，同时，紧密填充的封闭纤维可提供机械支撑以增强强度。
在实验过程中，研究人员还观察到导管的重新开放非常迅速（3 秒），而较小纤维的形态几乎保持不变，这种细胞壁结构的选择性开放值得注意，因为它可能同时提供两种效应。
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