比钢更硬，还能够阻止高速子弹，这就是“超级木材”！

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关于土拨鼠能够啃咬多少木头的问题可能需要重新评估了。近日，《自然》杂志上发表的一项新研究展示了一种全新的制造木材的方法，这种方法能够使得制造的木材的强度／重量比甚至超过大多数金属。

更硬，更强，更好

目前可用的许多高性能结构材料都或多或少有自己的不可忽视的缺点。比如钢铁这样的金属材料，其硬度和强度可能很高，但是它们同时重量也很重并且还属于环境不友好的类别。复合材料和聚合物基体的材料可能没有这些缺点，但是它们的生产工艺复杂且昂贵。

尽管在各种材料方面我们都有不断的技术创新，木材仍然是建材的最佳选择之一，木材储量丰富，价格便宜并且重量也很轻。然而，与其他现代建筑材料相比，它不是非常坚固耐用。因此，为了提高木材的机械性能，研究人员开发了各种木材处理方法。

通过处理木材以改善其机械性能并不是什么新鲜事，其工艺的简单版本可以追溯到十八世纪。木材可以用蒸汽，加热，氨水或冷轧工艺处理，使其更加坚固——但单独来说，这些工艺中没有一个能够充分发挥木材的潜力。更何况木材经常会随着时间的推移而重新膨胀和失去强度。

而新工艺的方法涉及两个步骤：木材先经过化学处理，然后在 100℃以上进行热压制成“致密木材”。具体的步骤解析图如下所示，首先，通过化学处理来去除部分木质素。然后，将木材在 100℃下进行机械热压来压缩了 80% 的厚度。

图丨“超级木材”的加工方法和性能

自然木材中在顺着木头生长的方向有许多的腔室（直径为 20-80 微米的管状通道），化学处理会大大减少木质素的含量却不会大量减少纤维素的含量，因为这二者在反应溶液中的稳定性不一样。当天然木材在氢氧化钠和亚硫酸钠（NaOH/Na2SO3）的混合物中煮沸时，化学物质便会分解木材中的木质素。木质素是聚合物，存在于许多刚性植物的细胞壁中，使植物保持坚硬度。当一些，切记，并不是所有的木质素都被破坏时，木材很容易被压缩而变得得更坚硬：致密的木材。在经过 100℃的垂直木材生长方向的热压后，致密木材的厚度减少20%，密度变为原来的 3 倍。

致密木材有独特的微观结构，主要由纤维素这种纳米纤维构成，微观下紧密堆积并互卷的木材细胞壁使得纤维素纳米纤维形成高度一致方向的排列，这极大地增加了纳米纤维的接触表面积。

从分子角度看，由于纤维素分子链中富含羟基基团，在堆积的细胞壁的边缘上大量相邻纳米纤维之间形成/断裂/再形成氢键，这一持续不断的分子活动使得最终的硬度有效提高，因为最终断裂致密木材的所需能量远超自然木材。同时，致密木材微观结构上的缺陷数量和尺寸也远少于自然木材，改造后的致密木材的拉伸强度约为 422MPa cm³/g，这一强度比许多常见的金属合金，甚至轻质量出名的钛合金还要高。

足够坚硬？

研究人员说，这种改造后的木材比天然木材要强 11倍，它也不再能够漂浮在水中了。不过，压实的木材的密度只有普通木材的三倍左右——仍比今天使用的大多数建筑材料要轻得多。

在实际应用方面，研究的主要重点是密实木材在建筑中的潜在用途。对于复杂的工程项目，天然木材在强度方面根本无法与金属合金和塑料竞争。然而，致密木材或许可以一战。

这项研究还引用了他们的创作的另一个用途：低成本的装甲和子弹能量吸收的材料。在密实木材的层压版本的弹道测试中，他们发现它吸收了比天然木材多十倍的能量。

但是，致密的木材并不是完美的材料。从天然植物材料中去除木质素的一个关键问题是细菌和真菌。在活的植物中，木质素的刚性有助于抵御这些攻击。密实的木结构是否会更容易受到细菌和真菌的影响还有待观察。

尽管如此，这对我们人类却是一个提醒：只需要一点帮助，大自然仍然是最伟大的工程师。

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编辑：NW    

参考：

http://blogs.discovermagazine.com/d-brief/2018/02/07/wood-strong-steel/#.WnwHsryWaUk