在鋼筋、水泥、聚合物等出現(xiàn)之前，人類使用zui古老的材料無(wú)疑是木材。美國(guó)馬里蘭大學(xué)科利奇帕克分校材料科學(xué)與工程系教授胡良兵近年來(lái)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(xiàn)代生活中重塑地位。

2月8日，頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了胡良兵及其團(tuán)隊(duì)的zui新成果：將天然木材制備成強(qiáng)度可媲美鋼材的超級(jí)致密木材。

“我們發(fā)明了一種簡(jiǎn)單有效的兩步方法來(lái)制備超強(qiáng)致密木材?！焙急诮邮芘炫刃侣劊╳ww.thepaper.cn）采訪時(shí)表示。據(jù)胡良兵介紹，所謂的兩步法即“化學(xué)方法”結(jié)合“高溫機(jī)械壓縮”：團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)化學(xué)處理（氫氧化鈉、亞硫酸鈉）部分移除天然木材中的木質(zhì)素和半纖維素， 然后在100℃條件下，通過(guò)機(jī)械壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)木材的完全致密化。
 

超級(jí)致密木材加工方法及性能

其中，兩步法的關(guān)鍵在于第一步，也就是“化學(xué)方法”這一預(yù)處理工序?！疤幚砗蟮哪静挠捎谝瞥瞬糠帜举|(zhì)素和半纖維素，細(xì)胞壁變得柔軟，同時(shí)暴露出更多的空隙和羥基?！焙急硎?。

值得注意的是，部分移除木質(zhì)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(duì)木材強(qiáng)度也至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，徹底移除會(huì)導(dǎo)致材質(zhì)低劣，因此仍保留了部分木質(zhì)素以便粘合木材。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)高溫機(jī)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(shí)際上，高溫壓縮在致密木材制備中并不新鮮，學(xué)術(shù)界此前也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些預(yù)處理方法與之結(jié)合。胡良兵解釋，“以往的預(yù)處理方法主要包括蒸汽處理、高溫?zé)崽幚?、液氨處理等，但這些現(xiàn)有的方法只是軟化木材結(jié)構(gòu)，并沒(méi)有改變木材的化學(xué)組成，導(dǎo)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(qiáng)度提高較小。”

據(jù)胡良兵透露，該研究團(tuán)隊(duì)的“兩步法”也是意外獲得?！霸谠擁?xiàng)研究之前，團(tuán)隊(duì)已在進(jìn)行一些木材化學(xué)處理移除木質(zhì)素的研究工作，在一次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)部分移除木質(zhì)素和半纖維素的木材樣品在通過(guò)高溫干燥后，木材的厚度減少，強(qiáng)度得到了提高?！?/span>

正是受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)想到將化學(xué)處理和高溫壓縮相結(jié)合來(lái)制備獲得超強(qiáng)致密木材。

研究論文中提到，團(tuán)隊(duì)制備的超強(qiáng)致密木材經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)表征、力學(xué)表征、對(duì)濕度響應(yīng)的表征等測(cè)試。結(jié)果顯示，和以往天然木材受潮即易變軟等特性相比，超強(qiáng)致密木材在潮濕環(huán)境下結(jié)構(gòu)性能依然穩(wěn)定，各項(xiàng)機(jī)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(lái)的3倍，從0.43g/ cm3上升至1.3 g/ cm3。另外，超級(jí)致密木材的拉伸強(qiáng)度（材料產(chǎn)生zui大均勻塑性變形的應(yīng)力）可達(dá)到587 MPa，可以和鋼材媲美，但同時(shí)可以比鋼材輕六至七倍。而由于超強(qiáng)致密木材的密度低，超強(qiáng)致密木頭的比拉伸強(qiáng)度超過(guò)幾乎所有金屬和合金材料，甚至包括鈦合金。
 

彈道測(cè)試

胡良兵認(rèn)為，“這種超強(qiáng)致密木材性能好、成本低，而且環(huán)境友好，來(lái)源豐富且?guī)缀趿銣厥覛怏w排放，未來(lái)在建筑、交通、航空航天，高級(jí)家具等結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景”。

值得一提的是，除此番的超強(qiáng)致密木材外，胡良兵團(tuán)隊(duì)近年來(lái)已發(fā)明了一系列圍繞木材的先進(jìn)功能材料，包括透明木材、高各向異性導(dǎo)熱和導(dǎo)電金屬木材、超柔木材、海水淡化及污水處理木材，儲(chǔ)能木材等。

在胡良兵的設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)材料、儲(chǔ)能材料、熱管理材料及環(huán)境功能材料。