木頭有望取代鋼鐵中國科學(xué)家將天然木材硬度提高二十三倍化學(xué)處理四小時即可實現(xiàn)

木刀切肉，能切動嗎？

木釘子固定木板，這可行嗎？

馬里蘭大學(xué)李騰課題組新論文的發(fā)表，讓這一切成為可能。

他表示，化學(xué)處理后的硬化木材，是上述木刀和木釘?shù)脑牧希溆捕仁翘烊荒静牡?3倍，鋒利程度超過不銹鋼餐桌刀。

相關(guān)論文以《硬木材作為鋼和塑料的可再生替代品》為題發(fā)表在Matter上。

地球有3萬多億棵成熟樹木，硬化木材前景極佳

我們幾乎天天離不開硬材料，但被廣泛使用的硬質(zhì)材料往往不可再生，而且價格昂貴。許多硬材料的合成需要超高溫和超高壓等極端條件，因此構(gòu)成了潛在安全挑戰(zhàn)，也會消耗巨大能量。

此外，合成過程往往會排出大量廢氣。因此，非常有必要制備一種工藝簡單、可持續(xù)、且低成本的硬材料替代品。

以制備木刀的硬化木材為例，同樣制備合金刀和陶瓷刀，至少需要多出10倍的溫度和壓力。硬化木材的優(yōu)勢由此可見一斑，那么如何制備硬化木材？

纖維素是木材的主要成分， 其比強度（強度/密度）比多數(shù)工程材料比如陶瓷、金屬和聚合物都要高。但是木材的強度低于纖維素， 這是因為木材本身組成中只有40%～50%的纖維素，其余的則由半纖維素和木質(zhì)素組成， 而且天然木材中含有大量的孔洞。

李騰課題組采用的做法是盡量保持天然木材中的纖維素含量和結(jié)構(gòu)，并且大幅度降低材料中的缺陷（比如孔洞，通道等）。過程分為兩步：

第一步是將木材脫掉木質(zhì)素，即將木材浸泡在含有氫氧化鈉和亞硫酸鈉的溶液中，當溫度達到100攝氏度下將溶液煮沸幾個小時。天然木材的剛性大，不易變形，而在去除木質(zhì)素后，它會變得柔軟、靈活。

第二步，給已被進行化學(xué)加工的木材施加壓力和熱度，過程中它會受到熱壓，水分會被去除，密度也會變得更大，然后在100攝氏度左右干燥，最終制備出硬化木材。

去除部分木質(zhì)素和半纖維素，并用去離子水沖洗

下圖是將原料木材、轉(zhuǎn)成硬化木材的加工策略示意圖。首先通過化學(xué)處理，從天然椴木中去除部分木質(zhì)素和半纖維素，然后用去離子水沖洗。

接著，在室溫下把部分脫木質(zhì)素的木材樣品，放在垂直于木纖維的方向進行壓縮，借此擠壓原材料中的孔隙和坑，并擠出其中的水。

隨后，把部分脫木質(zhì)素的木材樣品，進行熱壓干燥，來讓它更致密。

借此產(chǎn)生的硬化木材，比原材料強大23倍，原因在于其顯著密集的材料結(jié)構(gòu)，可增強硬化木材中相鄰纖維素纖維之間的氫鍵形成。

然后將硬化木材浸入食品級礦物油中做表面處理，以提高其耐水性。通過切割和拋光，進一步將它加工成木刀和木釘，以展示其作為一次性桌刀和鋼釘替代品的潛在應(yīng)用。

化學(xué)處理4小時，可讓硬化木材達到最佳硬度

化學(xué)處理4小時，可讓硬化木材達到最佳硬度

那么，普通木材和硬化木材的硬度有何不同？如下圖，圖A和圖B分別顯示了天然椴木在R-T和R-L平面上的形態(tài)，沿木材的生長方向上，含有很多大小不一的管狀通道和孔隙。

圖C和圖D則顯示了硬化木材的相應(yīng)形態(tài)，其中木細胞壁完全坍塌，纖維素纖維密集地平行排列。

與此同時，硬化木材樣品的厚度，比原木材少了約20%。由此可見，硬化木材的致密化程度，與化學(xué)加工過程中去除的木質(zhì)素密切相關(guān)。

在脫木質(zhì)素的過程中，還對原材料進行了3個不同時間的化學(xué)處理，借此研究處理時間和木質(zhì)素含量的依賴關(guān)系。

研究中，他們分別測量了硬化木材樣品在其表面和中心附近的木質(zhì)素含量。

如右圖所示，在對硬化木材樣品做2小時的化學(xué)處理時， 木質(zhì)素含量分別為表面19.67+/-1.13wt%、中心20.31+/-0.61wt%;做4小時的化學(xué)處理時，木質(zhì)素含量分別為表面18.04+/-1.09wt%、中心18.86+/-0.25wt%;做6小時的化學(xué)處理時，木質(zhì)素含量分別為表面16.89+/-0.80wt%和中心17.83+/-1.05wt%。

即當化學(xué)處理時間相同時，中心部分的木質(zhì)素含量均略高于表面部分，原因在于化學(xué)物質(zhì)在木材表面附近的擴散速率，高于高溫中心的擴散速率。

在不同的化學(xué)處理時間下，分別測定了硬化木材樣品的半纖維素含量。分別做化學(xué)處理2 小時、4小時、6小時，硬化木材樣品中半纖維素含量依次是18.50+/-0.87wt%、17.47+/-0.51wt%和16.89+/-0.40wt%。

這表明，化學(xué)處理時間越長，硬化木材中半纖維素含量較低。

那么，處理幾小時可得到最佳硬度？由于布氏硬度試驗方法常用于評價材料硬度，基于此他們通過在硬化木材表面施加30kg的力而產(chǎn)生壓痕。

然后使用光學(xué)顯微鏡對壓痕進行了表征和分析， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)凹部下方的木纖維會變形、并形成彎曲形狀。

結(jié)果表明，化學(xué)處理時間為4小時的硬化木材樣品，比化學(xué)處理時間為2小時和6小時化學(xué)處理時間的樣品， 具有更高的布氏硬度，大約是天然椴木的23倍。

通過礦物油處理，來增強高溫表面耐水性

木材的主要成分是親水性的纖維素。因此，天然木材具有吸水性。因此，進行礦物油處理可增強高溫表面的耐水性。

如下圖，已形成的硬化木材表面、油處理后的硬化木材表面的接觸角分別為45.3+/-0.6度和79.9+/-1.8度，這表明硬化木材表面的耐水性顯著提高。

為了進一步證明油處理后的硬化木材的耐水性，他們把它完全浸入去離子水中24小時。

并在浸水實驗前后分別測量樣品的厚度， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)浸泡2 4小時后，預(yù)制硬化木材的厚度增加幅度為101.0%;而油處理后的硬化木材厚度增加幅度僅24.6%。

在重量增加百分比上，經(jīng)過24小時去離子水浸泡的成品硬化木材的重量增加46.5%，油處理后的硬化木材重量增加了14.2%。

與此同時，去離子水浸泡24小時后的人造硬化木材，其布氏硬度出現(xiàn)顯著下降，而24小時油處理后的硬化木材中布氏硬度僅略有下降。

以上實驗表明，礦物油處理時提高抗水性的一種簡單而有效的策略。

由于木材中的纖維素具有吸收性，因此當木材被雕刻成所需形狀后，再給其涂上礦物油即可延長壽命，有了這一涂層，在使用時或進行清洗時，木刀即可保持銳度。

木刀和釘子，分別對應(yīng)切割功能和固定工具功能

硬材料最重要的兩種應(yīng)用，是切割和固定，比如我們使用菜刀切肉、使用釘子固定物品。

為了證明硬化木材力學(xué)性能的意義，他們分別展示了硬化木材在切割能力、和固定能力上的兩種潛在應(yīng)用，即文章開頭的木刀和木釘。

考慮到木纖維排列方向下的各向異性材料結(jié)構(gòu)，他們制備出兩種木質(zhì)刀片：I型硬化木材刀和II型硬化木材刀。前者是木纖維的方向平行于刀片，后者則是木纖維的方向垂直于刀片。

在對比商用鋼桌刀、塑料桌刀、木桌刀、I型和II型硬化木材刀之后，他發(fā)現(xiàn)這兩種木刀比塑料刀、鋼桌刀和木桌刀都更鋒利。

實驗中，他們還設(shè)置了兩種切割模式：不滑動和滑動。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滑動模式下的切割力，一般小于非滑動模式下的切割力。而在任何一種切割模式下，II型硬化木材刀比I型硬化木材刀更鋒利，原因是沿木材纖維方向的硬化木材的剛度，高于垂直于木材纖維方向的硬化木材刀。

此外， 硬化木材不僅具有特殊力學(xué)性能，還不會像金屬一樣生銹，這表明它具備作為固定材料的候選潛力。

作為演示，他們通過雕刻一塊硬化木材和表面拋光來制造一個硬化木材木釘。

研究中，他們比較了一個6號鋼釘（直徑約3毫米，長度約5厘米）、和一個相似尺寸的硬化木材釘。為了證明硬化木材釘?shù)挠行?，他將硬化木材釘和鋼釘錘向每層5毫米厚的三層天然椴木，并用木釘將它們固定在一起。

實驗證明，在通過天然木層的穿透過程中，木釘或鋼釘都沒有發(fā)生損壞。

硬化木材的主要原料是椴木、氫氧化鈉、亞硫酸鈉，這都是供應(yīng)豐富、且成本很低的商品。同時，通過回收和重用化學(xué)品，還可進一步降低硬件的制造成本。

李騰表示，未來這種木材也可用來制造更耐抓撓和磨損的硬木地板和硬化木門。如果需要的話，還可進行清洗、干燥和重新磨尖硬化木材制品，以便延長使用壽命。

他也坦言，盡管實現(xiàn)了木頭本身能達到一部分力學(xué)行為，并沒有把木頭的最大潛力挖掘出來， 即便如此也將木頭硬度提高2 3倍。

其中最主要的原因在于，大幅降低了木頭缺陷數(shù)量和缺陷幅度，從而極大提升了木頭硬密度。在未來，也可把硬化木材做得更大更薄，如此就能把超硬木片貼在不同結(jié)構(gòu)上，從而用在更多場景中。

從教16年，如今借助視頻號業(yè)余科普影響更多人

雖然人在海外，但是李騰看到微信的巨大潛力，2020年微信視頻號的興起，讓他在業(yè)余時間開始做起科普，這也讓他得以觸達更多人，尤其是青年科研人員。

他舉例稱，有一次和兩位博士后討論完問題之后，他把自己講的內(nèi)容，做了一個短視頻在他的“李騰教授”視頻號發(fā)布，最終有幾萬人觀看。

后來他和學(xué)生說，看似多花了一點時間做視頻，但原本只讓他們倆受益，現(xiàn)在則能讓幾萬人從中受益。這種放大的倍數(shù)，讓他愿意花時間投入。

李騰說自己做了16年的教授，雖然教過很多學(xué)生，但是比起做視頻號和直播能影響到的受眾，在量級上的差別非常大，而這也讓他非常有滿足感。

此次硬化木材的視頻，也在國外媒體廣泛流傳?？梢哉f，李騰的木材研究貼合環(huán)保趨勢，業(yè)余視頻直播科普則緊跟新型傳播手段。而這一切，都是在用科學(xué)影響世界。 （綜合整理報道）（編輯/華生）