聽說過用木材造紙，但你聽說過用木材造「鋼鐵」么？

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科學家們多年來一直在尋找一種能使木材「緻密化」的方法，如果成功的話，緻密化的過程可以使樹木變成可替代多數建材的結構性材料。

儘管科學家們已經嘗試了許多方法，例如將木材暴露於蒸汽或氨水中，然後像擰鋼筋一樣將其滾壓，但結果製造出的木材的強度並不理想，特別是木材會在大氣中隨著對水蒸氣的自然反應自我膨脹和收縮。

木材本身是由另外兩種聚合物木質素和半纖維素結合的纖維素微纖維組成，將木材轉化為紙張和紙板的過程包括從聚合物中釋放木質素，這是鈉浴的目的。一旦聚合物被部分去除，壓縮就會破壞細胞壁，並使纖維素中的氫原子與其周圍的其他原子形成新的鍵，從而對齊纖維素以產生堅硬，輕質，尺寸穩定的材料，而去除多少木質素是提升木質硬度的關鍵。

在這個過程中的挑戰就是能夠最大限度的去除木質素從而產生最大量的氫鍵。而馬里蘭大學的工程師近日首先完成了突破，雖說是美國的大學但領導該項目的教授則是實打實的華人，分別是胡良兵教授、負責人李騰與Langley教授，他們已經找到了一種新的處理方法，能夠製造出比以前更強更堅韌十倍以上的木材，創造出許多比鈦合金還要強的天然物質。

「這種處理木材的新方法使它比天然木材強十二倍，韌性強十倍，」研究團隊的負責人胡良兵說，他在「自然」雜誌上發表了關於這種新木質材料的文章。 「這可能成為鋼鐵甚至鈦合金材料的全新競爭對手，它非常堅固耐用，它能與碳纖維相媲美，但價格更便宜。「胡先生是材料科學與工程學副教授，也是馬里蘭州能源創新研究院的成員。

馬里蘭大學機械工程學教授Samuel P. Langley的團隊負責人李騰說：「它既強又有韌性，這是一種在自然界不常見的特性組合。」該組織的負責人和Samuel P. Langley機械工程學教授說，他的團隊測量了這種全新密實木材的機械性能， 「它和鋼鐵一樣堅固，而且更是在重量上輕了六倍，它需要施加比天然木材多10倍的斷裂能量才能使之出現裂痕，它甚至於可以在工藝開始時進行彎曲和形變，改成想要的形狀後再進行固化處理。」

木材加工的過程首先是去除木材中的木質素，這是木材的一部分，掌控著木材的棕色顏色以及硬度，然後在約150°F的溫度下加熱並壓縮，這可以使纖維素纖維變得非常緊密，這一步可以讓木材內的任何缺口如孔或結都會被緊密的壓碎在一起，之後在表面塗抹一層特製漆。

科學家們發現，木材的纖維被緊緊壓在一起後，可以讓它們形成強大的氫鍵，就像一群緊密站在一起的人同時牽著手，緊密連接在一起，壓縮後的木材比原始尺寸薄5倍。

團隊用類似子彈的彈射裝置測試了他們的新木材並對比天然木材，彈丸輕鬆的徑直穿透了天然木材，但在完全處理的木材上，卻無法突破。胡教授說：「像松木或輕木這樣的軟木，生長速度快，更加環保，可以取代柚木等生長緩慢但密度更大的木材，用於家具或建築物的材料。

這一項新發現為設計輕質高性能結構的材料提供了非常有前景的途徑，對於需要高強度，高韌性和優異防彈性的廣泛應用有巨大潛力，特別令人興奮的是，該方法適用於各種木材，並且相當容易實施。「這種木材可用於如汽車，飛機，建築物，任何使用鋼材的應用，」胡教授說。

哈佛大學力學與材料教授索志剛博士說：「本文報道的兩步法實現了極高強度的木材加工，價值遠遠超出了文獻所說的範圍，鑒於木材產量豐富，以及其他富含纖維素的植物，本文激發了木材無限的想像力。」

「在我看來，最突出的觀察結果是木質素的限制濃度（木質細胞之間的鏈接）的存在，以最大限度地提高緻密木材的機械性能，與中間或部分木質素去除所達到的最大值相比，太少或太多的去除木質素都會降低強度，這揭示了氫鍵與這種多酚化合物賦予的粘合之間微妙的平衡。

此外，令人感興趣的是，木材緻密化導致強度和韌性的增加，兩種性能在通常情況下是相互抵消的，但在這項研究中，兩種特性都得到了增強」，芬蘭阿爾託大學教授奧蘭多J.羅哈斯說。

胡教授他們的研究專門探索木材天然納米技術的能力，他們以前也曾使用納米纖維素相關材料製造了一系列新興技術：

（1）用於替代塑料的超清晰紙張;

（2）用於提高太陽能電池效率30％的光子紙;

（3）木質電池和超級電容器;

（4）葉片電池;

（5）用於節能建築的透明木材;

（6）海水淡化，特別是過濾有毒物質。

這些基於木材的新興技術正通過馬里蘭大學剝離而出的公司Inventwood LLC進行商業化，可以想像未來高層建築由木材大量代替鋼材的時代了，又便宜又環保，給中國科學家點個贊！

來源：基建共享，轉載請註明來源

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