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环球科学 10-28

他们用造纸的原理,造出了比不锈钢还硬的木刀

图片来源:Pixabay

人类对木材的使用有着悠久的历史,然而因为木头塑性较差的缺点,进入现代社会后,许多原本要用到木材的场合被金属和塑料取代。但由于木材的环保优势,不少材料学家依然致力于发展这种材料。现在,他们已经成功解决了木材的塑性问题,也将木材的硬度提升到新的高度。在未来,木材有望取代金属和塑料,再度成为最常用的材料吗?

撰文 | 白德凡

审校 | 十米

到城市街头环顾一圈,你能发现多少木头做的东西?

你或许会看到不少树木,却没那么容易找到由这些树木加工而来的东西:高楼大厦是钢筋混凝土做的;街上奔跑的汽车,外壳是金属做的,轮胎是橡胶做的;广告牌、海报横幅通常是塑料做的;栏杆和街灯灯柱也是金属做的 …… 或许日常最常见的木制品,只有摆在家里的家具了。一旦出了门,你或许只能在公园的景观建筑中找到木制品的影子。

这样的情景让我们全然想象不到,其实木材是人类使用历史最悠久的材料之一。原始人类靠着木头发展起了生火技术,中国古代的绝大部分建筑和车辆也是木构的,在当时的城市街头找到一件木制品实在是再简单不过了。那么为什么木头在今天的使用范围远不及其他材料了呢?

一个重要原因是木头的塑性太差了。要想改变一块木头的形状,基本上只能靠切割、雕刻,远不及金属和塑料通过加热塑形来得方便。因此在金属开采、加工技术,以及聚合物合成技术进步以后,许多需要加工出复杂形状的场合就告别木材了。

然而木头有一个不可替代的优势:环境友好。木材是可再生的,而且它的生产加工过程不会对环境产生大规模污染,这在今天地球环境变化的背景下显得尤其有价值。相比之下,塑料难以降解,它的原料石油又是不可再生资源;而金属的开采、加工过程需要消耗大量能源, 伴随着大量污染的产生。因此,不少材料学家重新把目光投向木材,希望将它发展成金属和塑料的替代品。不过要实现这一点,头一个要解决的问题是,如何让木头变得可塑呢?

木头为什么这么 " 僵硬 "

要想让木头变得可塑,我们先要明白木头为什么这么 " 僵硬 "。植物的微观结构可以给出线索。

植物的细胞包裹在细胞壁中,细胞壁主要由纤维素(cellulose)、半纤维素和其他多糖组成,而它们之间的空隙被木质素(lignin)填充。在植物的木质部(也就是可以称作 " 木头 " 的部分)中,细胞壁会经历木质化过程,其中的木质素沉积下来,增加了细胞壁的厚度,使得木质部获得较高的机械强度,足以支撑起整个植株。可以说,木质素就是木头的 " 骨架 ",它使得木头机械强度高到可以做房梁和柱子,却也使木头失去了塑性,不容易发生形变

植物的微观结构示意图。(图片来源:Potters, G., et al., ( 2010 ) Promising Biofuel Resources: Lignocellulose and Algae. Nature Education 3 ( 9 ) :14)

因此要想让木头变柔软,第一步便是去除木质素这个道理古人早就明白了,而且运用到一项我们熟悉的工艺中:造纸无论是手工造纸还是工业造纸,拿到稻草、芦苇杆、木屑这些原料后,一般都要用化学方法去除其中的木质素,得到以纤维素为主的纸浆,再进行后续加工。这种脱木质素过程(delignification)是改造木材的一种常用方法。

木头加工成纸张之后,形状可以轻易改变了,却也失去了机械强度,无法承受大重量的冲压、拉扯,这使得纸张基本只能用于印刷和简单的包装。想要让木头获得更广的应用,我们需要思考:能不能找到一种方法,在不损失机械强度的前提下,让木头可以像纸一样折叠?

可以塑形的木头

上周发表于《科学》(Science)杂志的一项研究认真探索了这个问题,来自美国马里兰大学的研究人员把造纸的第一步用到了天然木材的处理上。

但与造纸不同的是,首先,木材并没有被打碎成木浆,研究人员处理的是一块约 3 毫米厚的薄木板(作为对比,一张 A4 纸的厚度约为 0.1 毫米);其次,脱木质素过程并没有把全部的木质素去除,而是去除了大约 55% 的木质素和 67% 的半纤维素。经过脱木质素过程和烘干处理后,研究人员得到了一块 " 压缩木头 "。由于失去了木质素的支持作用,木头中的维管和纤维结构坍缩挤压在一起,木头变得致密,依然僵硬、无法弯折

接下来研究人员将压缩木头浸入水中约 3 分钟。经历了这个被称为 " 冲水 "(water-shock)的过程之后,压缩木头中的纤维结构依然是坍缩的,但维管结构重新打开了,让木头在微观上有了空隙,也就有了形变的空间。这样处理过后,研究人员得到了可以塑形的木头。这种木头可以多次对折而不断裂,这意味着它可以像纸一样折叠成复杂的形状。而折叠成想要的形状后,只要在室温下晾干,可塑木头的形状就固定下来了。

从左到右依次为天然木材、压缩木材、经过冲水后的可塑木材及其微观结构示意图。经过冲水处理后,木材的维管结构重新打开,使得木材可以折叠。(图片来源:Xiao et al., Science 374, 2021:465 – 471)

晾干后的木头比天然木头拥有更高的机械强度。据研究人员测量,这种可塑木头沿木纤维方向的抗拉强度约为 300 兆帕,抗压强度约为 60 兆帕,分别是天然木材的 6 倍和 2 倍。而且由于密度较低,可塑木头的比抗拉强度(抗拉强度与密度之比)大约是常用的 5052 铝合金板的 5 倍。这意味着,在机械强度相同的情况下,用可塑木头做的结构要比铝合金做的轻得多。

研究人员将可塑木头折叠成锯齿状、螺旋状、星形等复杂形状,其中一种蜂窝状结构成功承受住了一辆小轿车的重量。(图片来源:Xiao et al., Science 374, 2021:465 – 471)

可以切肉的木头

经过脱木质素处理的木头显现出如此巨大的潜力,既可以轻易改变形状,又拥有优良的机械强度。解决木头塑性的问题的同时,研究人员也很好奇,最终成型的木材可以拥有多么高的硬度?在稍早一些发表在《物质》(Matter)杂志的一项研究中,来自相同科研单位的研究人员探索了木头的硬度极限。

研究人员依然先对天然木材进行脱木质素处理,得到以纤维素为主的样品。之后用热压机在室温和 20 兆帕的压力下对样品进行压缩,再加热到 105 ℃进行烘干。最后一步,将样品浸入食品级油中 48 小时,使木材表面获得防水性。经过这样处理后,研究人员得到了 " 硬化木头 " 的样品。

这种硬化木头的硬度有多高呢?研究人员用硬化木头样品做了两把木刀,一把的木纤维走向与刀刃平行,另一把木纤维走向与刀刃垂直。扫描电子显微镜成像显示,两种木刀都比普通钢制餐刀锋利得多。经研究人员演示,这种硬化木刀可以轻易切开半熟的牛排。

研究人员演示用硬化木刀切牛排。

除了木刀外,研究人还用硬化木头制作了木钉。经抛光处理的硬化木钉可以将三块木板钉在一起,锋利程度可以与商用钢钉匹敌,并且不易生锈。除了木刀和木钉外,硬化木头还可以用来制造地板和家具,更高的硬度使得这些产品更耐刮擦和磨损。

研究人员演示用硬化木钉钉木板。(图片来源:Bo Chen)

无论可塑木头还是硬化木头,对加工条件的要求都非常容易满足。其中的脱木质素处理在造纸厂中很常见,后续的干燥、冲水或压缩处理也相对容易实现,不像金属的加工过程,经常需要达到上千度的高温。这大大节约了生产过程中的能耗,也降低了这些新型木材投入量产的门槛。而且木头原料极易获取、成本低廉,如果这些木材广泛取代金属和塑料,我们有望以更低的价格买到各种生活用品。

马里兰大学材料学家的这两项研究,为可持续发展贡献了新的材料。或许未来某一天,我们在城市街头会看到木制品取代了塑料和金属:汽车的外壳换成了更轻薄、坚硬的木头,街灯灯柱是木头制成的,和旁边的树木融为一体 …… 不过,今天的研究只是解决了木头塑性和硬度的问题,要想让木制品大规模投产使用,还有更多问题有待解决:怎样防止木头长真菌、生虫?木制品的防火性如何保障?我们期待未来的研究逐步解决这些问题,让木头这种古老的材料,再次改变我们生活的面貌。

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