​“木头大王”昨天发完Nature今天再登Science封面！

通讯作者：胡良兵

通讯单位：马里兰大学

第一作者：肖少良，陈朝吉，夏芹芹，刘宇

【研究亮点】

为了解决天然木头的不可塑性变形的问题，本报道提出了一种“细胞壁工程”的加工方案，通过增强天然木头纤维之间的结合力同时保留其内部的导管孔隙，可以将天然木头塑性加工成高强度三维结构型材。密度只有0.75 g/cm³，沿纤维方向的拉伸强度高达300 MPa，并且可折叠、模压等塑性成型加工，完美利用了木头的天然各向异性，实现了木头在强度和塑性上的集成。

【主要内容】

木头是一种天然的绿色结构材料，但是其缺点是无法进行塑性加工且强度较低，难以满足先进工程领域（如汽车、飞机、航天等）对复杂形状加工成型性和高强度的需求。鉴于此，马里兰大学胡良兵教授团队提出一种“细胞壁工程”的加工方案，可以将平板状的硬质木头加工成三维立体结构。首先将天然木头（椴木）细胞壁里面的木质素（55%）和半纤维素（67%）部分去除并软化，得到富含亲水纤维素的木头，其内部含水量300 wt%。进一步，在室温干燥处理30h，使木头内部的导管和纤维素的孔隙收缩闭合，此时含水量12 wt%。然后经过3分钟快速“水冲击”（water-shock）处理，木头导管被选择性打开，而纤维仍保持闭合状态，最终得到具有褶皱状细胞壁结构的木头，此时含水量100 wt%。

这种结构的木头可以塑性弯折180^o不发生开裂，进而可以加工成各种三维形状的型材，干燥后其拉伸强度比初始木材高六倍，达到300 MPa，可以与轻质合金材料如铝合金相媲美！此“细胞壁工程”加工技术为高强木头在一系列结构材料，如建筑材料，汽车、飞机等轻量化结构件、电子器件等领域的广泛应用起到了巨大推动作用，与当今社会的“绿色减排、节能环保”的时代需求相呼应。

Fig. 1. A wrinkling cell wall engineering strategy through partial delignification combined with a “water-shock” process to make wood stronger and moldable.

Fig. 2. Microstructures of the natural wood, shrunken wood, and moldable wood.

Fig. 3. Fabricating 3D-molded wood into various shapes using the cell wall engineering process.

Fig. 4. Mechanical properties and LCA of the 3D-molded wood for strong, lightweight structural designs.

文章链接：

Xiao et al., Science 374, 465–471 (2021). Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material.

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abg9556.