天然木材的华丽转身

　　一般而言，天然树木在砍伐后，经过简单的初步加工，便可供建筑及制造器物使用。儒家经典《周礼-地官-委人》中便有关于木材的记载“丧纪共其薪蒸木材，军旅共其委积薪刍”。因其来源广、加工简便，木材已经被广泛地应用在生活的方方面面。据统计，人类利用天然木材建筑房屋和制造器具已有超过一万年的历史。但是随着人类对材料性能要求的日益提升，天然木材的机械性能已经难以满足人类需求。合成材料，如钢材、铝合金和复合材料等，因其优异的机械性能，已经被广泛用于各类结构之中，但是这些合成类高强结构材料往往又具有较高的制造成本或在制造过程中会对环境产生负面影响。因此，探索与开发高性能、低成本的环保型结构材料成为了21世纪热门研究课题。
　　
　　基于此，美国马里兰大学的胡良兵教授、李腾教授(共同通讯作者)等人研发出了一种简单、有效的策略，实现天然木材到超级木材的华丽转身，相关研究成果“Processing bulk natural wood into a high-performance structural material”已发表在材料领域顶级期刊《Nature》上。在该项研究工作中，研究人员通过简便的方法将块状天然木材转变成为高性能的结构材料，获得的材料在拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、韧性、刚度、硬度、抗冲击性能等方面提高了十倍以上，且具有更加优秀的尺寸稳定性。超级木材的拉伸强度可以与钢材媲美，达到了587 MPa，是原料天然木材的11.5倍，超过尼龙、聚碳酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂等大多数常见非金属材料；由于纤维素具有较低的固有密度，超级木材的比拉伸强度则几乎超过所有的金属及合金材料，达到了451 MPa cm3g-1，几乎为钛合金(244 MPa cm3g-1)的两倍。 　　虽然超级木材具有卓越的性能，但是其完全源自天然木材。在制备超级木材的过程中，马里兰大学的研究者首先将天然木材置于含有NaOH和Na2SO3的溶液中，煮沸从而部分去除天然木材中的木质素和半纤维素，随后进行热压，导致木材中的细胞壁的完全塌陷和天然木材中高度一致的纤维素纳米纤维的完全致密化。经过了以上的处理步骤，在很大程度上消除了天然木材中的多尺度的本证缺陷，从而赋予了获得的超级木材优异的高强度性能。此外，在致密化的过程中，纤维素纳米纤维的有序程度和紧密程度获得了很大的提升，纤维素纳米纤维之间的氢键密度也获得了很大程度上的提高。因此，由于纳米纤维之间的作用力的大幅增加，超级木材的断裂过程需要消耗更多的能量，赋予了超级木材高韧性特性。通过这种手段，马里兰大学的研究者很好地解决了强度与韧性之间的矛盾。
　　 　　天然木材作为地球上最丰富的可再生生物资源，如何更好地发挥其作用具有十分重要的意义。马里兰大学的研究团队的该项研究成果成功将天然木材加工成为具有比大多数结构金属和合金更高的比强度，使其成为低成本、高性能、低密度的替代品，使得这种具有数万年光辉历史的“老”材料焕发出了“新”生命。未来，超级木材在结构材料领域具有良好的应用前景，有望在建筑、交通、航空航天等行业领域部分甚至完全取代金属材料以及复合材料，成为高强环保材料的典型代表。