美国马里兰大学胡良兵教授和李腾教授团队Nature：强度媲美钢材的超强致密木材

在千年以前，自然生长的原生木材就因其成本低廉、来源广泛，被用作建筑和家具等生产的原材料。然而，随着社会的发展和人类日益增长的需求，原生木材的机械性能（强度和韧性）已不能满足现代化先进的工程应用领域和需求。

近日，美国马里兰大学帕克分校的胡良兵教授（点击查看介绍）和李腾教授（点击查看介绍）（共同通讯作者）团队在Nature 上发表最新研究成果，报道了一种简单有效的方法可以把原生木材直接处理成为一种超强超韧的高性能结构材料。这一过程分为两步，首先通过化学处理（氢氧化钠和亚硫酸钠）部分脱除木材中的木素和半纤维素，随后通过高温压缩（100 ℃）来压塌木材细胞壁，从而获得一种完全致密化和纤维素纳米纤维有序排列的超强致密木材。相比原生木材，获得的致密木材的厚度减少了约80%。

超强木材的制备示意图和机械性能。图片来源：Nature

胡良兵教授（左）手持超强致密木头，李腾教授（右）手持原生木头（谢华摄）

在分子水平上看，由于纤维素分子链富含羟基，紧压在一起的纤维素纳米纤维之间形成了大量氢键，这对于大幅提高材料的韧性和强度起到了关键作用。此外，通过这种方法获得的超强木材的结构变得致密没有缺陷，在潮湿环境下结构性能稳定，各项机械性能都得到了很大提高，超出天然木材10倍以上。其中抗拉强度可达到587 MPa，可以和钢材媲美，但是比钢材轻六至七倍。由于超强致密木材的密度低，超强致密木头的比拉伸强度超过几乎所有金属和合金材料，甚至包括钛合金。

同时这种方法对各种木材树种都普遍有效，是一种成本低廉生产轻质超强结构材料的新方法。加上木材的环保特质、可再生性和零温室气体排放特点，超强致密木头展示出未来结构材料之星的巨大潜力。

美国工程院院士、中国科学院外籍院士、美国布朗大学高华健教授对该工作给予高度的肯定，“该工作提供了一种发展高性能轻质结构材料的方法，在对强度，韧性及吸能要求较高的领域有着广阔的应用前景。更加令人兴奋的一点是，这种处理方法广泛适用于各种木材且易于实现。这绝对是结构材料领域一个高影响力的工作。”^[1]

美国工程院院士、哈佛大学锁志刚教授也高度评价了该工作，认为“该工作报道了一种有效的两步去木素-热压处理工艺，大幅度提高木材的机械强度，远远超过所有前人报道的结果。另外，考虑到木材及其他富含纤维素的植物的丰富来源，该工作对后续的研究启发重大，有广阔的想象空间，将会有更多的团队加入到相关研究当中。该工作也将会启发人们对木材这种古老材料新功能的挖掘以及新发明、新发现的探索”。^[1]

Nature 杂志同期刊登了德国马普所Peter Fratzl院士对该工作的评述与观点文章“Wood made denser and stronger”，Peter Fratzl院士高度评价了胡良兵及李腾团队超强致密木头的工作，认为该团队发展的去木素-热压法能够最大程度压缩木材，使木材达到最大致密化，同时消除了原生木材中的结构缺陷，且保留纤维素的有序排列，从而大幅度提高木材的多方面强度指标。^[2]

该工作一经发表就引起全世界范围广泛的关注和媒体报道，刮起了一阵“超级木头”的旋风。超强致密木头，当之无愧的未来结构材料之星。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Processing bulk natural wood into a high-performance structural material

Jianwei Song, Chaoji Chen, Shuze Zhu, Mingwei Zhu, Jiaqi Dai, Upamanyu Ray, Yiju Li, Yudi Kuang, Yongfeng Li, Nelson Quispe, Yonggang Yao, Amy Gong, Ulrich H. Leiste, Hugh A. Bruck, J. Y. Zhu, Azhar Vellore, Heng Li, Marilyn L. Minus, Zheng Jia, Ashlie Martini, Teng Li, Liangbing Hu

Nature, 2018, 554, 224-228, DOI: 10.1038/nature25476

导师介绍

胡良兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/35057

李腾

http://www.x-mol.com/university/faculty/48491

参考资料：

1.https://umdrightnow.umd.edu/news/umd-researchers-create-super-wood-stronger-most-metals

2. Wood made denser and stronger. Nature, 2018, 554, 172-173

https://www.nature.com/articles/d41586-018-01371-0