英国《自然》杂志最近发表了材料科学的一项新进展:美国科学家开发了一种新的简单方法，将天然木材制成高性能结构材料。这种新的致密木材具有优异的强度、韧性和抗弹性，不仅重量极轻，而且耐久性几乎高于目前所有的结构金属和合金。
一般来说，具有超常力学性能的合成结构材料比较重，有的对环境有害，有的造价昂贵(如聚合物基复合材料、仿生复合材料)。相比之下，天然木材成本低，资源丰富。作为一种结构材料，它在建筑和家具中已经使用了几千年，并一直保持着重要的地位。然而，木材的力学性能有限，通常不能满足许多先进工程结构和应用的需要。
此次，美国马里兰大学材料科学与工程系教授胡开发了一种在木材表面致密化之前处理木材的方法。这种木材表面致密化旨在大大提高木材的尺寸稳定性和力学性能。一般在潮湿条件下，如果采用现有工艺，木材容易软化，但团队开发的方法不受影响。
"我们发明了一种简单有效的两步方法来制备超致密木材。"胡梁冰在接受《澎湃新闻》采访时说。据胡介绍，所谓两步走的方法是“化学法”与“高温机械压缩”相结合:团队首先通过化学处理(氢氧化钠和亚硫酸钠)部分去除天然木材中的木质素和半纤维素，然后在100℃下通过机械压缩实现木材的完全致密化。
其中，两步法的关键在于第一步，即“化学法”的预处理过程。处理后，由于去除了一些木质素和半纤维素，细胞壁变软，更多的空间隙和羟基暴露出来胡对说:
值得注意的是，木质素和半纤维素的部分去除，而不是完全去除，是纤维素纳米纤维的连接，对木材强度也很重要。研究小组认为，彻底清除会导致劣质材料，因此仍然保留一些木质素用于粘合木材。
随后，研究小组通过高温机械压缩和完全致密化，大大提高了纤维素纳米纤维在木材中的有序排列和致密性，从而增加了相邻纤维素纳米纤维之间氢键的形成。
事实上，高温压缩在制备致密木材方面并不新鲜，已经开发了一些预处理方法与之结合。胡解释说:“以前的预处理方法主要有蒸汽处理、高温热处理、液氨处理等。但是这些现有的方法仅仅软化了木材结构并且没有改变木材的化学成分，导致木材的不完全致密化。厚度减少60%，这样得到的密实木材强度略有提高。”
据胡介绍，研究小组的“两步走法”也是偶然获得的。“在研究之前，该团队一直在做一些关于通过化学处理木材来去除木质素的研究工作。在一次实验中，偶然发现部分去除木质素和半纤维素的木材样品在高温下干燥后，木材厚度减小，强度提高。”
受此启发，研究小组想到将化学处理与高温压缩相结合来制备超致密木材。
研究论文中提到，该团队制备的超致密木材已经过结构表征、力学表征和湿度响应测试。结果表明，与以往的湿态易软化的天然木材相比，超密木材在湿态环境下的结构性能仍然稳定，各项力学性能都有了很大的提高，比天然木材高10倍以上。
其中木材厚度可减少80%，密度可从0.43g/ cm增加3倍至1.3 g/ cm。此外，超密木材的抗拉强度(最大均匀塑性变形的应力)可以达到587 mpa，与钢相当，但同时可以比钢轻六到七倍。由于超密木材密度低，超密木材的比抗拉强度几乎超过了所有的金属和合金材料，甚至包括钛合金。
值得一提的是，除了这种超致密的木材外，胡的团队近年来还围绕木材发明了一系列先进的功能材料，包括透明木材、导热导电的各向异性高的金属木材、超柔软木材、海水淡化与污水处理木材、储能木材等。
在胡看来，这一系列功能木材有望取代玻璃、聚合物、金属及氧化物、储能材料、热管理材料、环境功能材料等传统结构材料。(环球东方)
编辑:关昊
