人科學家讓木材強度媲美鋼材：超級致密，厚度減少八成

在鋼筋、水泥、聚合物等出現之前，人類使用zui古老的材料無疑是木材。美國馬里蘭大學科利奇帕克分校材料科學與工程系教授胡良兵近年來便將目光聚焦在這一古老的可再生天然材料上，試圖讓其在現代生活中重塑地位。

2月8日，頂級學術期刊《自然》（Nature）在線發表了胡良兵及其團隊的zui新成果：將天然木材制備成強度可媲美鋼材的超級致密木材。

“我們發明了一種簡單有效的兩步方法來制備超強致密木材。”胡良兵在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）采訪時表示。據胡良兵介紹，所謂的兩步法即“化學方法”結合“高溫機械壓縮”：團隊首先通過化學處理（氫氧化鈉、亞硫酸鈉）部分移除天然木材中的木質素和半纖維素， 然后在100℃條件下，通過機械壓縮來實現木材的完全致密化。
 

超級致密木材加工方法及性能

其中，兩步法的關鍵在于第一步，也就是“化學方法”這一預處理工序。“處理后的木材由于移除了部分木質素和半纖維素，細胞壁變得柔軟，同時暴露出更多的空隙和羥基。”胡良兵表示。

值得注意的是，部分移除木質素和半纖維素而非徹底移除則是纖維素納米纖維的連接對木材強度也至關重要。研究團隊認為，徹底移除會導致材質低劣，因此仍保留了部分木質素以便粘合木材。

隨后，研究團隊通過高溫機械壓縮完全致密化理想提高木材中纖維素納米纖維的有序排列程度和緊密度，從而增加相鄰纖維素納米纖維之間的氫鍵形成。

實際上，高溫壓縮在致密木材制備中并不新鮮，學術界此前也已經開發出一些預處理方法與之結合。胡良兵解釋，“以往的預處理方法主要包括蒸汽處理、高溫熱處理、液氨處理等，但這些現有的方法只是軟化木材結構，并沒有改變木材的化學組成，導致木材的致密化程度不完全，zui大減少60％的厚度，從而使獲得的致密木材的強度提高較小。”

據胡良兵透露，該研究團隊的“兩步法”也是意外獲得。“在該項研究之前，團隊已在進行一些木材化學處理移除木質素的研究工作，在一次實驗過程中偶然發現部分移除木質素和半纖維素的木材樣品在通過高溫干燥后，木材的厚度減少，強度得到了提高。”

正是受此啟發，研究團隊想到將化學處理和高溫壓縮相結合來制備獲得超強致密木材。

研究論文中提到，團隊制備的超強致密木材經過結構表征、力學表征、對濕度響應的表征等測試。結果顯示，和以往天然木材受潮即易變軟等特性相比，超強致密木材在潮濕環境下結構性能依然穩定，各項機械性能都得到了很大提高，超出天然木材10倍以上。

其中，木材厚度可以減少80%，密度為原來的3倍，從0.43g/ cm3上升至1.3 g/ cm3。另外，超級致密木材的拉伸強度（材料產生zui大均勻塑性變形的應力）可達到587 MPa，可以和鋼材媲美，但同時可以比鋼材輕六至七倍。而由于超強致密木材的密度低，超強致密木頭的比拉伸強度超過幾乎所有金屬和合金材料，甚至包括鈦合金。
 

彈道測試

胡良兵認為，“這種超強致密木材性能好、成本低，而且環境友好，來源豐富且幾乎零溫室氣體排放，未來在建筑、交通、航空航天，高級家具等結構材料領域具有非常好的應用前景”。

值得一提的是，除此番的超強致密木材外，胡良兵團隊近年來已發明了一系列圍繞木材的先進功能材料，包括透明木材、高各向異性導熱和導電金屬木材、超柔木材、海水淡化及污水處理木材，儲能木材等。

在胡良兵的設想里，這一系列功能性木材有望替代玻璃、聚合物、金屬、氧化物等傳統結構材料、儲能材料、熱管理材料及環境功能材料。