木材——源于樹(shù)木，作為一種豐富的自然資源，從原始的建筑材料到現(xiàn)代的高附加值工程材料，已發(fā)展了數(shù)千年。木材具有獨(dú)特的精密微結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能（如低密度、高強(qiáng)高韌、可再生可循環(huán)性），同時(shí)也啟發(fā)研究人員創(chuàng)造出各種仿木頭材料。鑒于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏院士團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性地闡述了仿生人工木材的概念，并對(duì)其機(jī)理、調(diào)控和應(yīng)用，做了深入的討論和展望。相關(guān)工作發(fā)表在Advanced Materials, 2020, DOI: 10.1002/adma.202001086.
1. 天然木材的結(jié)構(gòu)
木材內(nèi)部具有數(shù)十微米的取向孔道，使木材具有高孔隙率和低密度，同時(shí)有助于提高機(jī)械強(qiáng)度，特別是在平行于孔道的方向上。孔壁在機(jī)械性能中也起著關(guān)鍵作用，其主要由化學(xué)交聯(lián)的無(wú)定形多酚聚合物（即木質(zhì)素）組成，賦予了木材剛性。
2. 設(shè)計(jì)原則與材料選擇
人工木材的制備包括兩個(gè)要點(diǎn)，孔道和孔壁。取向孔道完全可以通過(guò)冷凍鑄造得到，但是現(xiàn)有的聚合物仿木材的強(qiáng)度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到天然木材的強(qiáng)度，究其原因是線性聚合物分子網(wǎng)絡(luò)的本征強(qiáng)度不高。基于此設(shè)計(jì)原則，俞書(shū)宏院士團(tuán)隊(duì)在2018年研發(fā)出強(qiáng)度堪比天然木材的人工木材（抗壓強(qiáng)度高達(dá)45MPa），該人工木材以剛性聚合物酚醛樹(shù)脂、密胺樹(shù)脂為基體材料，同時(shí)兼具防火隔熱與耐腐蝕等優(yōu)異性能。相關(guān)工作見(jiàn)Science Advances 2018, 4, eaat7223。
3. 孔道和孔壁的調(diào)控
通過(guò)控制初始冷凍溫度、冷凍速率與基體材料的濃度，研究人員可以輕易控制孔徑的大小，以及孔壁的厚度，以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
4. 性能與應(yīng)用
由于在微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和化學(xué)成分選擇方面存在無(wú)限的可能性，因此人造木材有望為我們帶來(lái)諸多可能的應(yīng)用，如輕質(zhì)高強(qiáng)材料、物質(zhì)定向運(yùn)輸、隔熱防火等。
5. 結(jié)論與展望
為了復(fù)刻木材的微觀結(jié)構(gòu)并獲得令人滿意的機(jī)械性能，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮孔道和孔壁。通過(guò)凍結(jié)澆鑄構(gòu)筑孔道已是最常用技術(shù)，因此孔壁應(yīng)引起更多關(guān)注?？妆谑蔷哂袆傂枣湺蔚母叨然瘜W(xué)交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)，在決定人造木材的機(jī)械性能和其他物理性能方面起著重要作用。
然而，由于目前聚合物基體材料的選擇非常有限，因此迫切需要開(kāi)發(fā)更好的方法來(lái)有效地將聚合物與孔道構(gòu)筑結(jié)合起來(lái)。此外，還需要具有剛性鏈段的可生物降解或可回收的聚合物。此外，針對(duì)冷凍鑄造，由于能耗與效率較低，如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還有很長(zhǎng)的路要走。
從基體材料來(lái)看，大多數(shù)工程聚合物基本上都是化石燃料衍生的塑料，天然情況下難以降解，會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生惡劣的影響。尋找環(huán)保材料勢(shì)在必行。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)（具有良好機(jī)械性能、完全可生物降解的人造木材）。
首先，從生物質(zhì)材料開(kāi)始，利用新穎的技術(shù)將這些靈活的生物分子組裝成堅(jiān)固的人造木材；或者，將工程聚合物改性為可生物降解或可回收的聚合物，但不以顯著犧牲機(jī)械性能為代價(jià)。目前，第二個(gè)最佳選擇似乎更為可行，因?yàn)橐炎C明某些熱固性聚合物可回收，即所謂的“Vitrimers”。
人造木材正慢慢嶄露頭角，基于生物材料或可循環(huán)工程聚合物的人造木材，或許能在未來(lái)大放異彩，躋身新型高性能仿生工程材料的大家族之列。
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