自鉆木取火以來，木材就在人類生活中發(fā)揮重要地位。豐富的資源和相對低廉的成本使得木材被廣泛應(yīng)用于造船、建筑和家具等等。長期以來，科學(xué)家一直嘗試將木材應(yīng)用到現(xiàn)代化先進(jìn)制造過程領(lǐng)域，以取代鋼鐵、合金等高成本高污染的人工合成材料。

問題在于：木材密度較低，力學(xué)性能難以滿足許多工程建設(shè)要求，對木材的簡單密實(shí)化處理，也往往效果不佳。

科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種新型的“超級木材”，其強(qiáng)度是普通木材的10倍以上，這種新型木材可能成為鋼鐵和其他材料的天然廉價(jià)替代品。

這種超級木材的制作關(guān)鍵是一種特殊的化學(xué)處理，然后經(jīng)過加熱壓縮的過程。由此產(chǎn)生的化學(xué)鍵使木材變得足夠堅(jiān)固，未來可能用于建筑物和車輛。

“這種處理木材的新方法使木材的強(qiáng)度是天然木材的11倍，硬度是天然木材的10倍。”來自馬里蘭大學(xué)的高級研究員Liangbing Hu說:“它可能成為鋼鐵，甚至鈦合金的競爭對手，它不僅堅(jiān)固耐用，而且也便宜得多。”

來自馬里蘭大學(xué)的Teng Li補(bǔ)充道:“這是一種既強(qiáng)硬又堅(jiān)韌的組合，這種組合在自然界中并不常見，它和鋼一樣結(jié)實(shí)，但比鋼要輕上六倍。”

美國馬里蘭大學(xué)Liangbing Hu和Teng Li團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型的密實(shí)化處理工藝，可以使天然木材強(qiáng)度提高11倍，密度提高3倍，比強(qiáng)度達(dá)到422.2 ± 36.3 MPa cm3 g?1，超過眾多金屬和合金材料。

圖1. 木材處理工藝

首先，讓天然木材和氫氧化鈉、亞硫酸鈉混合在一起，這與制作紙漿的過程類似。這種密實(shí)化工藝主要包括以下兩個(gè)步驟：

1）化學(xué)處理

類似木材造紙工藝，研究人員首先以NaOH和Na2SO3水溶液作為化學(xué)處理試劑，在沸騰環(huán)境中去除天然木材中的部分木質(zhì)素和半纖維素。

2）高溫壓實(shí)

然后，在100℃溫度條件下高溫壓實(shí)處理，去除木材中的絕大部分孔隙，使密度從0.43 g cm-3提高到1.3 g cm-3，木材厚度減少80%左右。

圖2. 天然木材和密實(shí)化木材結(jié)構(gòu)表征

經(jīng)過以上工藝處理后的木材，密度提高了3倍，硬度和強(qiáng)度提高了11倍。比強(qiáng)度達(dá)到422.2 ± 36.3 MPa cm3 g?1，超過目前大部分金屬和合金材料。

之前的報(bào)道中，僅通過熱壓處理，木材密度也可提高3倍，但是硬度僅提高3-4倍。因此，研究人員認(rèn)為，本工藝中的化學(xué)處理，是木材硬度提高11倍的關(guān)鍵原因。而經(jīng)過本工藝處理之后的木材由許多高度曲線排列的纖維素納米纖維組成，相鄰的納米纖維素之間形成大量氫鍵。化學(xué)處理，使基于纖維素的細(xì)胞壁更穩(wěn)定，在水中更不容易膨脹。當(dāng)然，這種木頭再也不能漂浮在水面了。

圖3. 力學(xué)性能測試

圖4. 沖擊測試

接下來，木材經(jīng)過一個(gè)壓縮階段，以折疊每個(gè)細(xì)胞的壁。當(dāng)木材繼續(xù)被壓縮時(shí)，會增加熱量以形成新的化學(xué)鍵。

這些工藝能夠去除某些聚合物，同時(shí)保留其他對木材強(qiáng)度很重要的聚合物，使新木材得到非常有效的強(qiáng)化。這種強(qiáng)化最終來自于大量的氫原子與纖維素的納米纖維結(jié)合，其在木材結(jié)構(gòu)中已經(jīng)普遍存在。

它的化學(xué)反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，但是這個(gè)過程本身其實(shí)很簡單，也非常的便宜，而且已經(jīng)證明可以強(qiáng)化不同種類的木材。

在某些情況下，它是替代鋼鐵、鈦合金和其他材料的極佳選擇。這種超級木材具有高強(qiáng)度、高韌性和輕便的特點(diǎn)，不僅能抗壓、抗打擊、耐刮，甚至還可以防潮。

總之，這項(xiàng)研究為開發(fā)高力學(xué)性能、輕量化的木質(zhì)材料提供了一種新工藝，為替換高成本的合金或鋼鐵材料提供了新的選擇！

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