日前，美国马里兰大学胡良兵在《Nature》期刊发文（“木头大王”胡良兵再发《Nature》：取之于“木”，用之于“固”！），一天后胡良兵教授又在《Science》再次发文，“木头大王”实至名归！
木材是一种可持续的结构材料，但在保持其机械性能的同时不易成型。美国马里兰大学胡良兵报告了一种加工策略，该策略使用细胞壁工程将硬木平板塑造成多功能的3D结构。在分解木材的木质素成分并通过蒸发水关闭容器和纤维后，作者以一个快速的水冲击过程部分重新膨胀木材，有选择性地打开容器。这形成了一个独特的褶皱细胞壁结构，允许材料折叠和成型成所需的形状。由此产生的3D成型木材比起始木材强六倍，可与广泛使用的轻质材料（如铝合金）相媲美。这种方法扩大了木材作为结构材料的潜力。相关论文以题为“Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material”发表在Science，并被选为本期封面。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg9556
研究表明，材料的形状与其内在属性一样重要。例如，结构部件必须由可以物理成型以满足特定需求而不牺牲机械强度的材料制成。此外，重量轻的材料对于基于车辆的应用（例如，汽车、火车和飞机）特别有价值。由于这些原因，聚合物和一些金属，例如铝 (Al)，被用于机械支撑，因为它们具有低密度和易于加工的特点，可通过不同的方式（例如挤压、铸造和注射成型。然而，需要开发更可持续的材料，以减轻石油化工塑料的环境成本和金属的能源成本。
木材是替代某些轻质结构材料的潜在候选材料，特别是考虑到其作为可再生资源的优势。木材产品可以通过替代碳密集型、基于化石燃料的材料以及提供扩展的碳储存来帮助缓解气候变化。木材还具有机械强度、重量轻和潜在的低成本。但与金属和塑料相比，其成型性通常较差，这使得将其加工成复杂的形状变得困难。近年来，研究了各种自下而上的方法，其中将木材分解为其组成部分，然后重新制造成所需的形状和用途。例如，木材可以被分解成具有优异机械强度（高达3 GPa）的纤维素纳米纤维（CNF）。但这些 CNF 复合材料的高石化聚合物含量削弱了它们作为可持续材料的优势。此外，这种自下而上的方法牺牲了木材的自然层次结构和各向异性结构（即，沿茎的纵向方向延伸的高度对齐的通道和纤维），材料的大部分天然强度和功能来自于该结构。
本文报告了一种自上而下的方法，通过该方法可以将木材加工成各种形状，同时还可以显著提高其机械强度。主要概念是基于部分脱木素和软化天然木材，然后通过干燥收缩其血管和纤维，然后在水中“冲击”材料以选择性地打开管道（图1A）。这种快速的水冲击过程形成了一个独特的部分开放、起皱的细胞壁结构，为压缩提供空间以及支持高应变的能力，使材料易于折叠和成型。这种可成型木材可以实现不同的形状和结构，然后可以通过空气干燥来去除剩余的水分，以形成最终的 3D 成型木材产品（图1B）。
这种细胞壁工程方法适用于各种硬木树种，并通过水冲击工艺实现，该工艺将木材作为轻质结构材料的能力扩展到超越传统平面结构的复杂3D设计和具有更大多功能性的组件。对于传统上仅限于聚合物、金属和聚合物复合材料的应用（图 1C），控制木材的自然各向异性结构将提高其作为可持续和实用替代品的潜力。（文：Doublenine）
图1.通过部分脱木素与“水冲击”工艺相结合的皱纹细胞壁工程策略，使木材更坚固和可塑
图2.天然木材、收缩木材和可成型木材的微观结构
图3.使用细胞壁工程工艺将3D成型木材制成各种形状
图4.3D成型木材坚固和轻质的结构设计
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