木头玩过没? 老树新花, 他们今天将木头玩上Nature | 大家点评
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超级木头
可能替代钢材的未来结构材料之星
人类使用木头建造房屋的历史超过一万年，但原生木材的机械性能早已不能满足人类日益增长的需求。目前，各类金属比如钢材铝材以及复合材料在各种结构中广泛应用。虽然这些结构材料的机械性能超出原生木头，但制造成本高，而且制造过程对环境产生负面影响，驱动人类不断探索新一代高性能低成本而且环保的结构材料。
2018年2月8日，Nature在线发表了美国马里兰大学的研究团队关于超级木头的最新发现。由胡良兵教授和李腾教授共同领导的研究团队发明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。 Nature同时发表题为Crushed wood is stronger than steel的新闻评述，对这一工作做了全方位的报道。这一研究也受到大众媒体的极大关注，The Times、Scientific American都第一时间做了跟进报道，CNN和NPR也都对团队做了专访。
通过这种方法获得的超级木头的各项机械性能，包括拉压弯强度、韧性、刚度、硬度、抗冲击性能等， 都超出原生木材10倍以上。其拉伸强度达到587 MPa，可以和钢材媲美；而比拉伸强度高达451 MPa cm^3/g，超过几乎所有的金属和合金材料，甚至包括钛合金（244MPa cm^3/g）。马里兰大学的研究成果显示，超级木头100%源自原生木材，无任何添加物，加工方法适用于各类木材，而且在潮湿环境下性能稳定。其机械性能超凡出众，而且具有环保特质和可再生性， 展示出超级木头作为未来结构材料之星的巨大潜力。
美国工程院院士、哈佛大学锁志刚教授在接受记者采访时，高度评价这项研究，认为后续有极大的想象空间：
Processing wood was an ancient practice, and is an active area of research. However, the two-step process reported in this paper achieves exceptionally high strength, much beyond what reported in the literature. Given the abundance of wood, as well as other cellulose-rich plants, this paper inspires imagination. More work is likely to follow soon to study the science, engineering, and economics of this and related processes. The work will also inspire the invention and discovery of new applications of this ancient material.
胡良兵教授和李腾教授 （Courtesy of Hua Xie）
一直以来困扰工程材料设计领域的一个重大问题是强度和韧性的互斥性。高强度的材料往往容易脆性断裂，比如铸铁和钻石；而高韧性的材料往往强度不够高。能够同时增强增韧的材料设计理念是工程材料领域长期以来的一个悬而未决的挑战。通过简单的两步处理方式，马里兰大学研究团队有效地把原生木材的强度和韧性同时提高了超过10倍。对于这一令人兴奋的结果，马里兰大学机械工程系李腾教授解释说：“实现超级木头高强度高韧性的本质源自我们发明的这种木材处理方法的巧妙设计。经过第一步部分去除原生木材中的木质素，使得我们在第二步的热压过程后实现木材的完全致密化。经过处理得到的超级木头最大限度的消除了原生木材中存在于多尺度的本征缺陷， 因而决定了超级木头的高强度；同时完全致密化有效促进了木材中的纤维素纳米纤维的有序排列程度和紧密度，从而极大程度地增加了纤维素纳米纤维之间的氢键密度，导致在超级木头断裂过程中耗散大量的能量，因而实现高韧性。”
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在接受采访的时候告诉记者，
The paper provides a highly promising route to the design of light weight high performance structural materials, with tremendous potential for a broad range of applications where high strength, large toughness and superior ballistic resistance are desired. It is particularly exciting to note that the method is versatile for various species of wood and fairly easy to implement. This will definitely be a high impact work in the field.
木头和纤维素是地球上最富含的可再生生物材料资源。纤维素的机械性能十分优异，其比强度和比刚度超出几乎所有金属材料和复合材料。马里兰大学研究团队的这一研究成果让学界对木材这一在地球上存在了超过百万年的“老”材料有了全新的认识。对于这一研究成果的未来前景和应用，马里兰大学材料科学系胡良兵教授展望说：“人类在过去近万年里在建筑、家具以及其他结构材料应用中对木材的使用， 远远没有充分利用到木材中纤维素的优异机械性能。我们这项研究展示了超级木头在未来结构材料领域的巨大应用前景。超级木头有潜力在建筑、交通、航空航天领域里取代金属和聚合物，成为未来节能环保型高性能结构材料之星。”
Courtesy of Jiaqi Dai
美国马里兰大学的这一研究团队近年来在纤维素机械性能研究领域取得了一系列开创性的成果。在2015年，该研究团队在PNAS上报道了一种制备同时具有高强度和高韧性的纤维素纳米纸。他们通过一种自下而上的纳米制备方法，把用于制造普通纸张的木纤维缩小了一千倍，得到纤维素纳米纤维用于制备纳米纸。 实验显示纤维素纳米纸的强度达到了普通纸 的40倍，而韧性也同时提高了130倍。通过力学模型分析，他们发现，因为纤维直径减小带来的氢键密度增加和缺陷尺寸降低是纤维素纳米纸既韧又强的关键所在。这一机理性的发现为马里兰大学研究团队此次发明自上而下处理原生木材的方法提供了基础。
在过去的7年，马里兰大学团队一直致力于纤维素科技的研发，发明了一系列的围绕纳米纤维素和木头的高科技， 包括超透明纸，海水淡化木头，透明木头，超白木头，催化木头，最近的超级木头。这一系列的技术正通过Inventwood LLC 公司产业化。
Courtesy of Jiaqi Dai
这项研究最激动人心的地方是什么？ 让我们以锁志刚教授的回答结束：
The return to the root of invention and discovery of materials: the iteration of chemical modification and property measurement once again leads to a fundamental discovery.
的确，老树也能开出新花！
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