百變奇材

木材與化學在科學家的巧妙運用之下，能組合出奇材妙法，為人類提供具備多種用途的可持續材料。身兼科學記者和科學史研究者二職的基特 · 查普曼驚嘆于實驗室里的木材化學，并撰文向我們介紹了奇妙的木世界。

人稱“木頭大王”的華裔科學家胡良兵，能讓木頭像乒乓球一樣跳動，也可以把它像橡膠玩具一樣壓扁，更能使木材堅硬勝過鋼鐵。正如他在美國馬里蘭大學的實驗室里所解釋的，你只需運用一套簡單的化學反應——用上氫氧化鈉和亞硫酸鈉，并加熱與加壓——即可創造這一切。木材是一種新金屬、新塑料、新混凝土。你所要掌握的，是如何通過化學手段擺弄它。

胡良兵等學者的工作正開創木材技術的新時代，也在顛覆我們對木頭這一地球上最豐富且可再生的資源的認知。

不侵之木

之前的木材科學領域沉寂已久。美國威斯康星大學麥迪遜分校復合農業材料教授羅杰 · 羅威爾（Roger Rowell）表示：“20世紀的木材研究停滯不前，大量工作都是對以往成果的模仿，人們追求最容易實現的目標，缺乏創新，這令人失望。”

目前，大多數圍繞木材進行創新的嘗試都涉及“將它們規模化地應用于現有技術”。舉個例子，2020年底，日本京都大學教授、前宇航員土井隆雄（Takao Doi）開始開發木材作為建造衛星的替代材料。在他看來，相比于傳統的鋁和鋼，木材結構的衛星不僅能節省成本，而且只要工作壽命結束，就可以在軌道上燃燒殆盡，不釋放氧化鋁或金屬小碎片，不給高層大氣添加“太空垃圾”。土井隆雄的衛星WISA Woodsat是第一顆木制衛星。

無論如何，木制衛星的概念確實太宏偉了。據估計，每年有150億棵樹被砍伐，然后以木材、紙張或木漿的形式為人類服務。有研究人員認為，木材行業在很大程度上忽視了其原材料的化學成分的潛力。

羅威爾表示，理解木材的關鍵在于，它不是一種單一、標準化的材料。“如果你要的是404級不銹鋼，全世界提供的都一模一樣。但換成木頭，每一塊都不一樣。它是一種三維復合材料，同時也是生物聚合物。當你研究木材時，你在研究高分子化學、生物化學、碳水化合物化學、木質素化學、水分運動、膨脹、收縮和腐爛。要真正了解木材，解釋其特性，你必須從內到外觀察它。

木材的化學組成因樹的類型而異，但從整體層面看來相對簡單。木材主要就是纖維素、半纖維素以及木質素的組合。木質素是一類復雜的有機聚合物，其分子鏈凝集為直徑在納米尺度的基纖維，基纖維再編織成直徑約50微米的纖維叢。

不過羅威爾認為，我們缺乏在分子水平上對木材本質的理解，這意味著我們沒有針對木材的主要問題思考解決方案。舉個例子，木材的潮濕和腐爛，通常由真菌引起。“整個木材防腐行業都聚焦于毒性，而不是真菌攻擊的機制。大自然不會浪費能量去攻擊它不能攻擊的事物——把真菌放到玻璃上，它就什么都做不了。”羅威爾的研究重點是讓木材變得“缺少吸引力”。若讓木材經受乙酸酐處理（更專業的說法叫“乙酰化處理”），其植物細胞壁就會與后者發生反應，羥基被乙酰基取代。這樣做的好處是木材更加干燥，因此變得更穩定不易受侵害，甚至還恢復了因采伐而損失的體積。“乙酰化的木頭看起來仍舊是木頭！但它不會腐爛、膨脹或收縮。”

當然，上述做法只是實現木材潛力的一種選擇。其他團隊正使用更簡單的化學反應，試圖改寫木材功能的規則手冊。

增密復材

胡良兵改造木材的方法很新穎。最開始，他的研究重點是碳納米管，后來他意識到，同樣的工作原理也可應用于木材。“木材是一種納米復合材料。如果要從整體上認知木材，你得先拿個木材科學的博士學位。但我對那些不感興趣。我的目標是給這種大型多孔復合材料里的納米纖維增強性能。”通過專注于化學改造，胡良兵的實驗室已經實現了種種神奇創造。“我們的改造方向有兩條，一種是讓木材盡可能致密，從而盡可能堅固；另一種，則是令它盡可能多孔，從而形成良好的絕緣材料，并允許你調整光學屬性……你幾乎可以做任何事情。”

為了強化木材，使用氫氧化鈉（2.5 mol/L）和亞硫酸鈉（0.4 mol/L）的混合物處理木材7小時，將其中的木質素和半纖維素去除，然后在100℃下熱壓大約一天。這能破壞木材膜的細胞壁，壓縮它們并排列纖維素納米纖維，從而令木材的厚度減少80%。胡良兵說道：“這種特制超級木材的強度甚至好過鋼，而重量又只有后者的1/6。你要想折斷它，那絕對難比登天。”

木材的用途不只有承重。2018年，胡良兵發表一篇論文，介紹了木材用作低成本、輕型防彈衣的可能性。根據論文說法，他們在向致密“木甲”發射一顆子彈后，發現它不僅產生了一個比天然木材小得多的彈孔，還能夠吸收10倍于天然木材的動能。

“增密”木材的影響更為深遠。胡良兵表示：“我們追求脫碳。最好的一種方式就是種更多樹，砍更少樹。如果你砍下的木材能保存非常久，那就等于它可以作為二氧化碳的貯存容器，能幫我們固碳非常久。木材被致密化后，不僅更堅固，也更耐白蟻、更耐水，降解時間也更長。它可以代替鋼材和混凝土。我們不妨算算賬，生產每千克鋼鐵需要排放二氧化碳約1.85千克，而木材呢，0.05千克足矣。從本質上講，樹木是巨大的二氧化碳儲庫。以可持續的方式改造、使用木材，將其用作鋼鐵的可再生替代品，會讓我們的環境收益良多。

木棉淡海

前文提到的另一條方向——多孔化方向——是怎么樣的呢？將軟木以沸水煮之，然后浸泡在特定溶液內，冷凍，再冷凍干燥。經過這些處理，木材細胞壁里的木質素和半纖維素變薄，羰基和碳氧鍵伸展，但沒有被破壞。它們釋放出纖維素原纖維，在木材的弱化細胞之間形成凝膠，這些弱化細胞已經轉變成了蜂巢網格。

結果如何呢？柔軟的木材即使以70%的幅度壓縮超過10 000次，也仍能保持彈性且無疲勞跡象。此外，納米原纖維會產生通道，從而實現離子導電。2021年，胡良兵團隊將原纖維浸泡于銅堿溶液，后又浸泡于電解質中以添加鋰離子。最終用它制成的電池性能比基于聚合物的電解質好了幾十上百倍。

如胡良兵所言，木材的光學特性也可通過簡單改變細胞壁來調整。他說道：“木頭看起來是白色的，但在紅外線下是完全黑色的。如果你把它用作屋頂，房子最多可降溫10℃。這是一種優異的隔熱工具。”胡良兵等人甚至開發了透明木材，允許大約92%的光線通過。

胡良兵的馬里蘭大學團隊不僅僅致力于極限改造，也喜歡巧用大自然已經賦予木材的特長。“不同類型的木材可以增密成性能相同的建筑材料，但我們不應忽略它們的不同。有時候，不同樹木的不同微觀結構，經過科學家的排列組合與靈活應用，能展現神奇功用。”胡良兵正探索能否將木材的結構用于海水淡化。“海水淡化的一個主要問題是，當你用設備收集蒸汽時，設備表面也會接收大量鹽分，這對于普通機器來說是致命的。但是樹木呢？它們每天都在做這種事情，對吧？”此言不假，樹木簡直就是活著的抽水機，而且其樹干中既有大通道也有小通道。“你只要正確地切割木頭，就可確保它被太陽輻射加熱，內部液態水變成水蒸氣，然后收集它，而鹽分則留在木頭里。通常，木材膜會開始積聚鹽分，但因為它們有大通道，故鹽分最終能回到海洋。”

研究的挑戰在于如何將樹木里的海水淡化奇跡形成工業化的規模應用。“基礎設施已經到位。仍有待解決的問題是化學物質該怎樣擴散到結構中。它有一個濃度梯度。如果你有足夠時間處理中心的木材，表面的纖維會損壞。這是目前的一個主要障礙。”

樹維打印

以色列耶路撒冷希伯來大學的多倫·凱姆（Doron Kam）以一種很獨特的視角看待木材。“以色列基本就是個沙漠國家，我們幾乎沒有森林！木材是一種神奇的材料。它能承受紫外線輻射和溫度變化。人類砍伐樹木，將它們砍成更小的碎片，然后又把它們粘在一起。所以我開始思考一個問題：我們能像大自然一樣，用自下而上的方法創建木材嗎？”

凱姆開始研究纖維素納米晶體。此類材料能夠自組裝成手性膽甾相液晶，具備很大的應用潛力，例如用于研發防偽紙或無反射鏡激光，科學界針對它們的探究工作早已展開。值得一提的是，這些納米晶體很容易通過木纖維的簡單水解來制造。凱姆表示：“水解的最終結果是長約100～150納米、直徑約3納米的小晶須處于水懸浮液中，形成一個膠體系統。而且，由于它們是納米級的東西，我們認為它們會是一種很好的樹脂。”

通過將精細粉碎的木粉（顯微可見的木纖維）分散于纖維素納米晶體和木葡聚糖（一種存在于細胞壁中的半纖維素）中，凱姆團隊實現了木材的3D打印，同時不需要3D打印通常所需的合成聚合物，例如聚乙烯醇和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。“我們開始打印各種物體。這是一個好的開端。”

凱姆等人開始打印簡單的東西：用兩種不同類型木材組合成的棋盤、花格窗、木制螺母和螺栓。而這僅僅是開始。凱姆如此說道：“一棵樹被砍倒后，水分從原木中蒸發，不同的樹紋呈圓柱形不對稱，這種取向差異會導致木材翹曲。我們就想，能不能人為模仿樹木的這套結構機理，了解并嘗試控制木材的翹曲。”顯然，他們若真能掌握這里頭的訣竅，肯定也能更好地掌控木材3D打印，制作出任何他們想要的形狀的多功能木結構。另外，由于木粉是建筑廢棄物，他們的項目也是綠色化學典范。

但凱姆也承認，他們的成果存在缺陷。“我們的系統非常混亂，系統成分是多分散的，就像在自然界中那樣，因為木粉具有各種各樣的形狀和尺寸，變化范圍有幾十微米，甚至其纖維素納米晶體的尺寸也可相差幾十納米。現在，我們可以展示自己對不同現象的理解，可以對其建模，可以創建這些對象。我們專注于基本問題，而不只是應用。”

要將新技術推向市場，還需解決另一個問題。目前，此類印刷品很容易受到水的損害，即便短時間暴露，也可能失去強度。凱姆指出：“如果不加入任何合成材料，怕水就是它的最大弱點。現階段，我們不知道怎樣在無合成樹脂的情況下讓木基生物聚合物很好地交聯。人們正試圖通過壓縮木制品來解決這個問題，此外許多團隊正研究不同的酶。”

木材科學目前仍有障礙需要清除。但只要問題解決了，木材將以超乎想象的方式讓我們驚嘆。對于胡良兵來說，應當加快推進木材科學。“世界將需要更多材料，而好消息是木頭全世界到處都是——你可以使用當地的資源，并在當地進行加工，然后就開始解決供應鏈中的全球材料短缺問題。”

羅威爾表示：“木材行業歷史悠久，多數從業者的父輩祖輩就是鋸木廠工人。我們有了一些新技術，但人們還是因循守舊，很難讓老派的木材從業者改變想法，或提出不一樣的新想法。木材相關的納米技術已發展20年，但我們還未真正將其付諸實踐。我們需要改變心態，需要認識到木材的潛力，我們未來的材料和化學品都將發源于它。”

資料來源 Chemistry World

本文作者基特 · 查普曼（Kit Chapman）是英國法爾茅斯的科學作家和科學記者