你能想象，木頭材料經(jīng)過一些科學(xué)手段加工后，強(qiáng)度和可塑性堪比一些金屬材質(zhì)么？“木頭大王” 胡良兵等人關(guān)于木頭的最新研究成果，又一次刷新了人們對木頭的認(rèn)知。

對于某一種材料而言，其形狀與固有特性同等重要，例如，很多結(jié)構(gòu)部件必須由能夠物理成型而不犧牲機(jī)械強(qiáng)度的材料制成，輕質(zhì)材料對于實(shí)際應(yīng)用（如汽車、火車和飛機(jī)等）尤其有價(jià)值，因?yàn)闇p輕重量是提高燃油效率的最直接的辦法。因此，在實(shí)際生活中我們能看到，很多塑料和金屬（如鋁合金）材料用于機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐，因?yàn)樗鼈兙哂械兔芏群鸵准庸さ奶攸c(diǎn)，能通過擠壓、鑄造或鑄模成型等不同方式加工成各種形狀和尺寸的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)組件。

圖｜研究人員將“木材”折疊 180 度展現(xiàn)其柔韌性（來源：Science）

然而，放眼未來，人類需要開發(fā)更可持續(xù)的環(huán)保材料，以降低石化產(chǎn)品對環(huán)境的污染和金屬材料的能源成本消耗，而木材，提供了一種全新可能。10 月 22 日，胡良兵等科研人員報(bào)告了一種利用細(xì)胞壁工程將硬木平板塑造成多功能 3D 結(jié)構(gòu)的加工策略，由此產(chǎn)生的 3D 模制木材，強(qiáng)度是原始木材的六倍，與廣泛使用的輕質(zhì)材料鋁合金相當(dāng)。這種方法大大拓寬了木材作為結(jié)構(gòu)材料的潛力，有望對建筑和交通等領(lǐng)域應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響。相關(guān)研究論文以封面文章的形式發(fā)表在 Science 上。

“自上而下”的研究思路

木材是替代傳統(tǒng)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的一種潛在候選材料，特別是考慮到其作為可再生資源的時(shí)候。

木制品可以通過替代碳密集型化石燃料材料以及提供長期碳儲存來幫助緩解氣候變化，同時(shí)還具有機(jī)械強(qiáng)度高、重量輕、成本低的特點(diǎn)?？茖W(xué)家已經(jīng)證明了多種方法可以改善木材的性能和功能，使其能擴(kuò)展到更廣泛的應(yīng)用，包括脫木素、致密化和其他改性。

但與金屬和塑料相比，木材最大的短板是成形性一般較差。大部分加工木材的手段都很傳統(tǒng)，是門手藝活兒，比如使用減法制造（雕刻、車削、機(jī)床等）和木工工藝將木材雕刻成復(fù)雜的三維（3D）形狀，將木塊零件拼接起來形成更復(fù)雜的力學(xué)結(jié)構(gòu)，如中國古建筑中利用最多的斗拱結(jié)構(gòu)。

這些“物理方法”通常能在批量范圍內(nèi)對木材進(jìn)行加工，但沒有改變木材固有的微觀結(jié)構(gòu)或材料特性，因此無法同時(shí)兼?zhèn)涓邫C(jī)械強(qiáng)度和良好的成型性，這限制了木材在高級工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

近年來，科學(xué)界研究了多種“自下向上”的路徑，將木材分解成其組成部分，然后再加工成所需的形狀和用途。例如可以將木材除顫成具有特殊機(jī)械強(qiáng)度（高達(dá) 3 GPa）的纖維素納米纖維（CNF），然后使用高含水量泥漿（高達(dá) 98 wt%）將其加工成 3D 形式。但 CNF 復(fù)合材料的高石化聚合物含量降低了其作為可持續(xù)材料的優(yōu)勢，且犧牲了木材的自然層次結(jié)構(gòu)和各向異性結(jié)構(gòu)（沿樹干縱向排列的高度對齊的通道和纖維），而木材的大部分自然強(qiáng)度和功能性都來自于此。

圖｜通過部分脫木素與“水沖擊”工藝相結(jié)合的褶皺細(xì)胞壁工程策略，使木材更堅(jiān)固和可模塑。（來源：Science）

胡良兵等人采用了一種“自上而下”的研究思路。主要概念是基于部分脫木素和軟化天然木材，通過干燥收縮其導(dǎo)管和纖維質(zhì)，然后在水中“沖擊”材料以選擇性地打開導(dǎo)管，這種快速的水沖擊過程形成了一種獨(dú)特的部分開放、起皺的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，為壓縮提供了空間，并能夠承受高應(yīng)變，使材料易于折疊和成型，使用這種可模塑木材可以實(shí)現(xiàn)不同形狀和結(jié)構(gòu)，然后通過空氣干燥來去除剩余的水分，從而形成最終的 3D 模塑木材產(chǎn)品。

這種細(xì)胞壁工程改造不僅保持了木材固有的各向異性結(jié)構(gòu)，也增強(qiáng)了木材纖維之間的相互作用，進(jìn)一步提高了木頭材料的機(jī)械強(qiáng)度，在實(shí)驗(yàn)中，研究人員演示了用木皮制造的蜂窩芯材料結(jié)構(gòu)，其抗拉強(qiáng)度約為 300 MPa，類似于鋁合金，但密度僅為約 0.75 g/cm3，成本也更低。

實(shí)驗(yàn)證明，操縱木材的自然各向異性結(jié)構(gòu)，將提高其作為于聚合物、金屬和聚合物復(fù)合材料應(yīng)用的可持續(xù)和替代品的潛力。

3D 可模塑木材的制備與性能

具體而言，研究人員首先使用了一種常見的水基去木質(zhì)化工藝，從椴木的木質(zhì)纖維細(xì)胞壁中去除了約 55% 的木質(zhì)素和約 67% 的半纖維素，由于剩余細(xì)胞壁會吸水，部分和選擇性地去除該疏水成分導(dǎo)致木材樣品尺寸軟化和輕度膨脹，其特征是親水纖維素的比例較高，因此，部分脫木素木材的含水量約為 300 wt%。

然后，在環(huán)境條件下將部分脫木素木材風(fēng)干約 30 小時(shí)，以去除水分并形成收縮木材中間物（~12 wt% 的含水量），接下來將收縮的木材浸入水中 3 分鐘，研究人員稱之為水沖擊過程，該過程可部分重新膨脹細(xì)胞壁，并導(dǎo)致最終產(chǎn)品中樣品尺寸的一些膨脹，稱之為可模制木材（~100 wt% 水含量）。濕的天然木材和收縮木材都難以彎曲而不斷裂，而可模塑木材是高度可折疊的，這些樣品中的木纖維平行于折疊方向，這種纖維取向的木板可以通過旋轉(zhuǎn)切割按比例生產(chǎn)，避免了原材料長度和寬度的尺寸限制。

圖｜天然木材、收縮木材和可模塑木材的微觀結(jié)構(gòu)（來源：Science）

同樣是木頭，為什么性能會產(chǎn)生如此大變化呢？利用掃描電子顯微鏡（SEM），研究人員觀察了這些木材樣品的微觀結(jié)構(gòu)，更好地了解了其中的工藝結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系。天然木材具有三維層次的多孔細(xì)胞結(jié)構(gòu)，有許多中空的導(dǎo)管和纖維。由于木質(zhì)素和水的去除，這些開放的細(xì)胞在收縮的木材中幾乎完全閉合，形成高度致密的結(jié)構(gòu)；形成可模塑木材的水沖擊處理產(chǎn)生了獨(dú)特的褶皺細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)管部分打開，而纖維幾乎完全閉合。

部分打開的導(dǎo)管在可模塑木材內(nèi)創(chuàng)造空間，以“手風(fēng)琴式”的形態(tài)容納更多壓縮和拉伸變形，允許材料在折疊時(shí)承受嚴(yán)重的壓縮和拉伸，甚至達(dá)到 180° 而不開裂，同時(shí)，緊密填充的封閉纖維可提供機(jī)械支撐以增強(qiáng)強(qiáng)度。

在實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員還觀察到導(dǎo)管的重新開放非常迅速（3 秒），而較小纖維的形態(tài)幾乎保持不變，這種細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的選擇性開放值得注意，因?yàn)樗赡芡瑫r(shí)提供兩種效應(yīng)。為了進(jìn)一步研究這種褶皺細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的特性，研究人員制備了一個(gè)對照組，其中將部分脫木素木材風(fēng)干 6 小時(shí)，不進(jìn)行水沖擊處理，以獲得與可模塑木材相同的水分（~100 wt% 水含量）和木質(zhì)纖維素含量。由此產(chǎn)生的對照品不具有皺褶細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，而是顯示出與天然木材類似的開孔微觀結(jié)構(gòu)，但由于木質(zhì)素的部分去除，細(xì)胞壁更薄、更分離，但材料不能彎曲而不斷裂，因此研究人員稱其為不可模壓木材。

這組對照實(shí)驗(yàn)清楚地表明，部分打開、起皺的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)在使可模塑木材具有機(jī)械靈活性方面起到十分重要的作用。這種褶皺細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)是如何在折疊過程中釋放機(jī)械應(yīng)力以防止材料斷裂的？

纖維尺度力學(xué)建模表明，即使可模塑木材承受 60% 的標(biāo)稱應(yīng)變變形（拉伸或壓縮），可模塑木材所有細(xì)胞壁中的應(yīng)變水平極低（最大主拉伸應(yīng)變?yōu)?0.23%，壓縮應(yīng)變?yōu)?0.31%），相比之下，在 12.5% 的總伸長率下，不可模塑木材細(xì)胞壁的最大主拉伸應(yīng)變高達(dá) 2.3%，是遠(yuǎn)高于可模塑木材的。

盡管這兩種材料都經(jīng)歷了脫木素過程，但纖維和導(dǎo)管是開放的，僅在不可模塑木材中松散接觸，而由于干燥和水震過程，模塑木材起皺的細(xì)胞壁中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)更為封閉，接觸更多，因此，可模塑木材在細(xì)胞壁之間具有足夠的氫鍵，能抵抗折疊期間的分層，而不可模塑木材則容易斷裂。

利用這種細(xì)胞壁工程方法，研究人員可以通過機(jī)械彎曲、折疊和扭轉(zhuǎn)將可模塑木材加工成各種形狀，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)結(jié)構(gòu)時(shí)，干燥木材就能固定其形狀，優(yōu)異的折疊性和干燥后的穩(wěn)定性使木頭能夠設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)。

SEM 形態(tài)研究揭示了 3D 模制木材的致密和完整結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到任何纖維從這些結(jié)構(gòu)的折疊角脫落，即使在 100 次折疊和展開循環(huán)后。在可折疊性和耐久性方面，可模塑木材優(yōu)于 Al-5052（一種廣泛用于輕型工程結(jié)構(gòu)的鋁合金），這種鋁合金僅在三次折疊和展開循環(huán)后就斷裂了。

3D 模制木材在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)方面同樣具備更好的性能，沿木材纖維方向的拉伸強(qiáng)度約為 300 MPa，壓縮強(qiáng)度為 60 MPa，這些值分別比天然木材高出了近六倍和兩倍；且低密度（0.75 g/cm3）使其具有 386.8 MPa/g/cm3 的高比拉伸強(qiáng)度，約為 Al-5052 鋁合金（84.4 MPa/g/cm3）的五倍，可以為設(shè)計(jì)和制造大型、輕質(zhì)、承重設(shè)計(jì)提供廣泛的通用性。

圖｜3D 模制木材的機(jī)械性能和 LCA，用于堅(jiān)固、輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（來源：Science）

一個(gè)例子是蜂窩結(jié)構(gòu)，它通常由聚合物或金屬（如 Al-5052 合金）制成，3D 模制木質(zhì)蜂窩單元的比抗壓強(qiáng)度（51.6 MPa/g/cm3）與 Al-5052 蜂窩單元的比抗壓強(qiáng)度（46.8 MPa/g/cm3）相當(dāng)，但成本更低更環(huán)保。

為了評估組裝的 3D 模制木質(zhì)蜂窩芯的壓縮和彎曲性能，研究人員將結(jié)構(gòu)夾在兩塊鋁板之間，這種夾層結(jié)構(gòu)能夠支撐 1588 kg 汽車的重量，相當(dāng)于 3D 模制木質(zhì)蜂窩芯本身重量的 1526 倍，高于 Al-5052 蜂窩結(jié)構(gòu)，3D 模制木材僅需鋁合金質(zhì)量的 21% 至 23% 即可滿足相同的強(qiáng)度要求。

令人興奮的是，當(dāng)利用木材和紙漿行業(yè)成熟的制造工藝，就可以實(shí)現(xiàn) 3D 模制木結(jié)構(gòu)的規(guī)模化制造，例如，旋轉(zhuǎn)切割產(chǎn)生大木板，可通過部分脫木素、干燥和水再膨脹步驟進(jìn)行處理，此外，使用熱空氣（~80°C）可將實(shí)驗(yàn)中 30 小時(shí)的環(huán)境干燥步驟縮短至約2分鐘，然后，滾壓或模壓成型。

此外，3D 模制木材的長期耐久性也是必要的，在 3D 模制木材上涂覆聚氨酯表面涂層有助于穩(wěn)定木材防潮，未涂層和涂層 3D 模制木材的抗真菌性能均優(yōu)于天然木材。研究人員表示，還需進(jìn)行更多的風(fēng)化試驗(yàn)，才能確定 3D 模制木材產(chǎn)品長期耐久性所需的確切改進(jìn)類型。

（來源：Pexels）

環(huán)?？沙掷m(xù)

因?yàn)樽罱K考慮的一大因素是材料的環(huán)?？沙掷m(xù)，所以研究人員也對 3D 模制木材進(jìn)行了生命周期評估（LCA），以了解 3D 模制木材和鋁合金對環(huán)境的比較影響。

他們計(jì)算了材料每立方厘米不同的環(huán)境影響類別，如與生態(tài)系統(tǒng)（酸化、富營養(yǎng)化和生態(tài)毒性）、全球變暖潛力、化石燃料消耗、環(huán)境問題（臭氧消耗和煙霧形成）和人類健康影響相關(guān)的環(huán)境影響類別（包括致癌和非致癌健康影響以及呼吸影響）。

3D 模制木材在對環(huán)境影響類別中都顯示出明顯的減少（約 59% 至 99%），即使與回收率高達(dá) 73.9% 的鋁合金相比也毫不遜色，與回收率低（35%）的合金相比，這種不良影響減少更顯著（約 74% 至 99%）。

當(dāng)這些 3D 模制木材用作車輛、高鐵、飛機(jī)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)顯著的燃油節(jié)約和相應(yīng)的環(huán)境效益。此外，與塑料和金屬相比，木制品具有更大的碳儲存能力，這是全球氣候變化專門委員會為緩解全球變暖而提倡的，木材加工性和功能性的進(jìn)步也可以促進(jìn)更好的森林管理實(shí)踐。

論文中提到，除椴木外，其他闊葉樹種和不同樹齡和生長位置的木材都通過相同的處理用于制造3D模制木材，這種方法對闊葉材的普遍性及其廣泛應(yīng)用的潛力。

總的來說，細(xì)胞壁工程使普通木材具備了可折疊和模塑性，大大提高了機(jī)械性能，這種方法賦予了木材比肩塑料和金屬的結(jié)構(gòu)多功能性，潛在的環(huán)境影響更低，有望使木材成為結(jié)構(gòu)應(yīng)用中塑料和金屬的潛在替代品，且基于現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)技術(shù)就可以規(guī)?；瘧?yīng)用。

參考資料

https://www.science.org/toc/science/374/6566

本文來自微信公眾號“學(xué)術(shù)頭條”（ID:SciTouTiao），作者：庫珀，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。