撰文：庫珀
編審：寇建超
排版：李雪薇
你能想象，木頭材料經過一些科學手段加工後，強度和可塑性堪比一些金屬材質麼？
“木頭大王” 胡良兵等人關於木頭的最新研究成果，又一次重新整理了人們對木頭的認知。
對於某一種材料而言，其形狀與固有特性同等重要，例如，很多結構部件必須由能夠物理成型而不犧牲機械強度的材料製成，輕質材料對於實際應用（如汽車、火車和飛機等）尤其有價值，因為減輕重量是提高燃油效率的最直接的辦法。
因此，在實際生活中我們能看到，很多塑膠和金屬（如鋁合金）材料用於機械結構支撐，因為它們具有低密度和易加工的特點，能透過擠壓、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結構元件。
圖｜研究人員將“木材”摺疊 180 度展現其柔韌性（來源：Science）
然而，放眼未來，人類需要開發更可持續的環保材料，以降低石化產品對環境的汙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告了一種利用細胞壁工程將硬木平板塑造成多功能 3D 結構的加工策略，由此產生的 3D 模製木材，強度是原始木材的六倍，與廣泛使用的輕質材料鋁合金相當。
這種方法大大拓寬了木材作為結構材料的潛力，有望對建築和交通等領域應用產生巨大影響。相關研究論文以封面文章的形式發表在Science上。
“自上而下”的研究思路
木材是替代傳統輕質結構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候。
木製品可以透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，同時還具有機械強度高、重量輕、成本低的特點。科學家已經證明了多種方法可以改善木材的效能和功能，使其能擴充套件到更廣泛的應用，包括脫木素、緻密化和其他改性。
但與金屬和塑膠相比，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，是門手藝活兒，比如使用減法制造（雕刻、車削、機床等）和木工工藝將木材雕刻成複雜的三維（3D）形狀，將木塊零件拼接起來形成更復雜的力學結構，如中國古建築中利用最多的斗拱結構。
這些“物理方法”通常能在批次範圍內對木材進行加工，但沒有改變木材固有的微觀結構或材料特性，因此無法同時兼備高機械強度和良好的成型性，這限制了木材在高階工程領域的應用。
近年來，科學界研究了多種“自下向上”的路徑，將木材分解成其組成部分，然後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械強度（高達 3 GPa）的纖維素奈米纖維（CNF），然後使用高含水量泥漿（高達 98 wt%）將其加工成 3D 形式。但 CNF 複合材料的高石化聚合物含量降低了其作為可持續材料的優勢，且犧牲了木材的自然層次結構和各向異性結構（沿樹幹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度和功能性都來自於此。
圖｜透過部分脫木素與“水衝擊”工藝相結合的褶皺細胞壁工程策略，使木材更堅固和可模塑。（來源：Science）
胡良兵等人採用了一種“自上而下”的研究思路。
主要概念是基於部分脫木素和軟化天然木材，透過乾燥收縮其導管和纖維質，然後在水中“衝擊”材料以選擇性地開啟導管，這種快速的水衝擊過程形成了一種獨特的部分開放、起皺的細胞壁結構，為壓縮提供了空間，並能夠承受高應變，使材料易於摺疊和成型，使用這種可模塑木材可以實現不同形狀和結構，然後透過空氣乾燥來去除剩餘的水分，從而形成最終的 3D 模塑木材產品。
這種細胞壁工程改造不僅保持了木材固有的各向異性結構，也增強了木材纖維之間的相互作用，進一步提高了木頭材料的機械強度，在實驗中，研究人員演示了用木皮製造的蜂窩芯材料結構，其抗拉強度約為 300 MPa，類似於鋁合金，但密度僅為約 0。75 g/cm³，成本也更低。
實驗證明，操縱木材的自然各向異性結構，將提高其作為於聚合物、金屬和聚合物複合材料應用的可持續和替代品的潛力。
3D 可模塑木材的製備與效能
具體而言，研究人員首先使用了一種常見的水基去木質化工藝，從椴木的木質纖維細胞壁中去除了約 55% 的木質素和約 67% 的半纖維素，由於剩餘細胞壁會吸水，部分和選擇性地去除該疏水成分導致木材樣品尺寸軟化和輕度膨脹，其特徵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%。
然後，在環境條件下將部分脫木素木材風乾約 30 小時，以去除水分並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，研究人員稱之為水衝擊過程，該過程可部分重新膨脹細胞壁，並導致最終產品中樣品尺寸的一些膨脹，稱之為可模製木材（~100 wt% 水含量）。
溼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摺疊的，這些樣品中的木纖維平行於摺疊方向，這種纖維取向的木板可以透過旋轉切割按比例生產，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構（來源：Science）
同樣是木頭，為什麼效能會產生如此大變化呢？
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構，更好地瞭解了其中的工藝結構和效能關係。
天然木材具有三維層次的多孔細胞結構，有許多中空的導管和纖維。由於木質素和水的去除，這些開放的細胞在收縮的木材中幾乎完全閉合，形成高度緻密的結構；形成可模塑木材的水衝擊處理產生了獨特的褶皺細胞壁結構，其中導管部分開啟，而纖維幾乎完全閉合。
部分開啟的導管在可模塑木材內創造空間，以“手風琴式”的形態容納更多壓縮和拉伸變形，允許材料在摺疊時承受嚴重的壓縮和拉伸，甚至達到 180° 而不開裂，同時，緊密填充的封閉纖維可提供機械支撐以增強強度。
在實驗過程中，研究人員還觀察到導管的重新開放非常迅速（3 秒），而較小纖維的形態幾乎保持不變，這種細胞壁結構的選擇性開放值得注意，因為它可能同時提供兩種效應。
為了進一步研究這種褶皺細胞壁結構的特性，研究人員製備了一個對照組，其中將部分脫木素木材風乾 6 小時，不進行水衝擊處理，以獲得與可模塑木材相同的水分（~100 wt% 水含量）和木質纖維素含量。由此產生的對照品不具有皺褶細胞壁結構，而是顯示出與天然木材類似的開孔微觀結構，但由於木質素的部分去除，細胞壁更薄、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。
這組對照實驗清楚地表明，部分開啟、起皺的細胞壁結構在使可模塑木材具有機械靈活性方面起到十分重要的作用。
這種褶皺細胞壁結構是如何在摺疊過程中釋放機械應力以防止材料斷裂的？
纖維尺度力學建模表明，即使可模塑木材承受 60% 的標稱應變變形（拉伸或壓縮），可模塑木材所有細胞壁中的應變水平極低（最大主拉伸應變為 0。23%，壓縮應變為 0。31%），相比之下，在 12。5% 的總伸長率下，不可模塑木材細胞壁的最大主拉伸應變高達 2。3%，是遠高於可模塑木材的。
儘管這兩種材料都經歷了脫木素過程，但纖維和導管是開放的，僅在不可模塑木材中鬆散接觸，而由於乾燥和水震過程，模塑木材起皺的細胞壁中的細胞結構更為封閉，接觸更多，因此，可模塑木材在細胞壁之間具有足夠的氫鍵，能抵抗摺疊期間的分層，而不可模塑木材則容易斷裂。
利用這種細胞壁工程方法，研究人員可以透過機械彎曲、摺疊和扭轉將可模塑木材加工成各種形狀
，當達到目標結構時，乾燥木材就能固定其形狀，優異的摺疊性和乾燥後的穩定性使木頭能夠設計和製造複雜的 3D 結構。
SEM 形態研究揭示了 3D 模製木材的緻密和完整結構，實驗中沒有觀察到任何纖維從這些結構的摺疊角脫落，即使在 100 次摺疊和展開迴圈後。在可摺疊性和耐久性方面，可模塑木材優於 Al-5052（一種廣泛用於輕型工程結構的鋁合金），這種鋁合金僅在三次摺疊和展開迴圈後就斷裂了。
3D 模製木材在輕質結構方面同樣具備更好的效能，沿木材纖維方向的拉伸強度約為 300 MPa，壓縮強度為 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 的高比拉伸強度，約為 Al-5052 鋁合金（84。4 MPa/g/cm³）的五倍，可以為設計和製造大型、輕質、承重設計提供廣泛的通用性。
圖｜3D 模製木材的機械效能和 LCA，用於堅固、輕質的結構設計（來源：Science）
一個例子是蜂窩結構，它通常由聚合物或金屬（如 Al-5052 合金）製成，3D 模製木質蜂窩單元的比抗壓強度（51。6 MPa/g/cm³）與 Al-5052 蜂窩單元的比抗壓強度（46。8 MPa/g/cm³）相當，但成本更低更環保。
為了評估組裝的 3D 模製木質蜂窩芯的壓縮和彎曲效能，研究人員將結構夾在兩塊鋁板之間，這種夾層結構能夠支撐 1588 kg 汽車的重量，相當於 3D 模製木質蜂窩芯本身重量的 1526 倍，高於 Al-5052 蜂窩結構，3D 模製木材僅需鋁合金質量的 21% 至 23% 即可滿足相同的強度要求。
令人興奮的是，當利用木材和紙漿行業成熟的製造工藝，就可以實現 3D 模製木結構的規模化製造，
例如，旋轉切割產生大木板，可透過部分脫木素、乾燥和水再膨脹步驟進行處理，此外，使用熱空氣（~80°C）可將實驗中 30 小時的環境乾燥步驟縮短至約2分鐘，然後，滾壓或模壓成型。
此外，
3D 模製木材的長期耐久性也是必要的，在 3D 模製木材上塗覆聚氨酯表面塗層有助於穩定木材防潮，未塗層和塗層 3D 模製木材的抗真菌效能均優於天然木材。
研究人員表示，還需進行更多的風化試驗，才能確定 3D 模製木材產品長期耐久性所需的確切改進型別。
（來源：Pexels）
環保可持續
因為最終考慮的一大因素是材料的環保可持續，所以研究人員也對 3D 模製木材進行了生命週期評估（LCA），以瞭解 3D 模製木材和鋁合金對環境的比較影響。
他們計算了材料每立方厘米不同的環境影響類別，如與生態系統（酸化、富營養化和生態毒性）、全球變暖潛力、化石燃料消耗、環境問題（臭氧消耗和煙霧形成）和人類健康影響相關的環境影響類別（包括致癌和非致癌健康影響以及呼吸影響）。
3D 模製木材在對環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 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%）。
當這些 3D 模製木材用作車輛、高鐵、飛機的輕質結構材料時，還可實現顯著的燃油節約和相應的環境效益。此外，與塑膠和金屬相比，木製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步也可以促進更好的森林管理實踐。
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透過相同的處理用於製造3D模製木材，這種方法對闊葉材的普遍性及其廣泛應用的潛力。
總的來說，細胞壁工程使普通木材具備了可摺疊和模塑性，大大提高了機械效能，這種方法賦予了木材比肩塑膠和金屬的結構多功能性，潛在的環境影響更低，有望使木材成為結構應用中塑膠和金屬的潛在替代品，且基於現有產業技術就可以規模化應用。
參考資料：
https：//www。science。org/toc/science/374/6566
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