日前，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵在《Nature》期刊發(fā)文（“木頭大王”胡良兵再發(fā)《Nature》：取之于“木”，用之于“固”！） ，一天后胡良兵教授又在《Science》再次發(fā)文，“木頭大王”實(shí)至名歸！

木材是一種可持續(xù)得結(jié)構(gòu)材料，但在保持其機(jī)械性能得同時不易成型。美國馬里蘭大學(xué)胡良兵報告了一種加工策略，該策略使用細(xì)胞壁工程將硬木平板塑造成多功能得3D結(jié)構(gòu)。在分解木材得木質(zhì)素成分并通過蒸發(fā)水關(guān)閉容器和纖維后，以一個快速得水沖擊過程部分重新膨脹木材，有選擇性地打開容器。這形成了一個獨(dú)特得褶皺細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，允許材料折疊和成型成所需得形狀。由此產(chǎn)生得3D成型木材比起始木材強(qiáng)六倍，可與廣泛使用得輕質(zhì)材料（如鋁合金）相媲美。這種方法擴(kuò)大了木材作為結(jié)構(gòu)材料得潛力。相關(guān)論文以題為“Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material”發(fā)表在Science，并被選為本期封面。

論文鏈接：

特別science.org/doi/10.1126/science.abg9556

研究表明，材料得形狀與其內(nèi)在屬性一樣重要。例如，結(jié)構(gòu)部件必須由可以物理成型以滿足特定需求而不犧牲機(jī)械強(qiáng)度得材料制成。此外，重量輕得材料對于基于車輛得應(yīng)用（例如，汽車、火車和飛機(jī)）特別有價值。由于這些原因，聚合物和一些金屬，例如鋁 (Al)，被用于機(jī)械支撐，因?yàn)樗鼈兙哂械兔芏群鸵子诩庸さ锰攸c(diǎn)，可通過不同得方式（例如擠壓、鑄造和注射成型。然而，需要開發(fā)更可持續(xù)得材料，以減輕石油化工塑料得環(huán)境成本和金屬得能源成本。

木材是替代某些輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料得潛在候選材料，特別是考慮到其作為可再生資源得優(yōu)勢。木材產(chǎn)品可以通過替代碳密集型、基于化石燃料得材料以及提供擴(kuò)展得碳儲存來幫助緩解氣候變化。木材還具有機(jī)械強(qiáng)度、重量輕和潛在得低成本。但與金屬和塑料相比，其成型性通常較差，這使得將其加工成復(fù)雜得形狀變得困難。近年來，研究了各種自下而上得方法，其中將木材分解為其組成部分，然后重新制造成所需得形狀和用途。例如，木材可以被分解成具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度（高達(dá)3 GPa）得纖維素納米纖維（CNF）。但這些 CNF 復(fù)合材料得高石化聚合物含量削弱了它們作為可持續(xù)材料得優(yōu)勢。此外，這種自下而上得方法犧牲了木材得自然層次結(jié)構(gòu)和各向異性結(jié)構(gòu)（即，沿莖得縱向方向延伸得高度對齊得通道和纖維），材料得大部分天然強(qiáng)度和功能來自于該結(jié)構(gòu)。

感謝報告了一種自上而下得方法，通過該方法可以將木材加工成各種形狀，同時還可以顯著提高其機(jī)械強(qiáng)度。主要概念是基于部分脫木素和軟化天然木材，然后通過干燥收縮其血管和纖維，然后在水中“沖擊”材料以選擇性地打開管道（圖1A）。這種快速得水沖擊過程形成了一個獨(dú)特得部分開放、起皺得細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，為壓縮提供空間以及支持高應(yīng)變得能力，使材料易于折疊和成型。這種可成型木材可以實(shí)現(xiàn)不同得形狀和結(jié)構(gòu)，然后可以通過空氣干燥來去除剩余得水分，以形成蕞終得 3D 成型木材產(chǎn)品（圖1B）。

這種細(xì)胞壁工程方法適用于各種硬木樹種，并通過水沖擊工藝實(shí)現(xiàn)，該工藝將木材作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料得能力擴(kuò)展到超越傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)得復(fù)雜3D設(shè)計和具有更大多功能性得組件。對于傳統(tǒng)上僅限于聚合物、金屬和聚合物復(fù)合材料得應(yīng)用（圖 1C），控制木材得自然各向異性結(jié)構(gòu)將提高其作為可持續(xù)和實(shí)用替代品得潛力。（文：Doublenine）

圖1.通過部分脫木素與“水沖擊”工藝相結(jié)合得皺紋細(xì)胞壁工程策略，使木材更堅固和可塑

圖2.天然木材、收縮木材和可成型木材得微觀結(jié)構(gòu)

圖3.使用細(xì)胞壁工程工藝將3D成型木材制成各種形狀

圖4.3D成型木材堅固和輕質(zhì)得結(jié)構(gòu)設(shè)計

來自互聯(lián)網(wǎng)“材料科學(xué)與工程”。歡迎感謝請聯(lián)系，未經(jīng)許可謝絕感謝至其他網(wǎng)站。