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到城市街頭環(huán)顧一圈，你能發(fā)現(xiàn)多少木頭做的東西,？ 你或許會看到不少樹木,，卻沒那么容易找到由這些樹木加工而來的東西：高樓大廈是鋼筋混凝土做的；街上奔跑的汽車,，外殼是金屬做的,，輪胎是橡膠做的；廣告牌,、海報橫幅通常是塑料做的,；欄桿和街燈燈柱也是金屬做的……或許日常最常見的木制品，只有擺在家里的家具了,。一旦出了門,，你或許只能在公園的景觀建筑中找到木制品的影子。 這樣的情景讓我們?nèi)幌胂蟛坏?，其實木材是人類使用歷史最悠久的材料之一,。原始人類靠著木頭發(fā)展起了生火技術(shù)，中國古代的絕大部分建筑和車輛也是木構(gòu)的,，在當(dāng)時的城市街頭找到一件木制品實在是再簡單不過了,。那么為什么木頭在今天的使用范圍遠(yuǎn)不及其他材料了呢？ 一個重要原因是木頭的塑性太差了。要想改變一塊木頭的形狀,，基本上只能靠切割、雕刻,，遠(yuǎn)不及金屬和塑料通過加熱塑形來得方便,。因此在金屬開采、加工技術(shù),，以及聚合物合成技術(shù)進(jìn)步以后,，許多需要加工出復(fù)雜形狀的場合就告別木材了。 然而木頭有一個不可替代的優(yōu)勢：環(huán)境友好,。木材是可再生的,，而且它的生產(chǎn)加工過程不會對環(huán)境產(chǎn)生大規(guī)模污染，這在今天地球環(huán)境變化的背景下顯得尤其有價值,。相比之下,，塑料難以降解，它的原料石油又是不可再生資源,；而金屬的開采,、加工過程需要消耗大量能源， 伴隨著大量污染的產(chǎn)生,。因此,，不少材料學(xué)家重新把目光投向木材，希望將它發(fā)展成金屬和塑料的替代品,。不過要實現(xiàn)這一點,，頭一個要解決的問題是，如何讓木頭變得可塑呢,？ 木頭為什么這么“僵硬”要想讓木頭變得可塑,，我們先要明白木頭為什么這么“僵硬”。植物的微觀結(jié)構(gòu)可以給出線索,。 植物的細(xì)胞包裹在細(xì)胞壁中,，細(xì)胞壁主要由纖維素（cellulose）、半纖維素和其他多糖組成,，而它們之間的空隙被木質(zhì)素（lignin）填充,。在植物的木質(zhì)部（也就是可以稱作“木頭”的部分）中，細(xì)胞壁會經(jīng)歷木質(zhì)化過程,，其中的木質(zhì)素沉積下來,，增加了細(xì)胞壁的厚度，使得木質(zhì)部獲得較高的機(jī)械強(qiáng)度,，足以支撐起整個植株,。可以說,，木質(zhì)素就是木頭的“骨架”,，它使得木頭機(jī)械強(qiáng)度高到可以做房梁和柱子,，卻也使木頭失去了塑性，不容易發(fā)生形變,。  植物的微觀結(jié)構(gòu)示意圖,。（圖片來源：Potters, G., et al., (2010) 3(9):14） 因此要想讓木頭變?nèi)彳?，第一步便是去除木質(zhì)素。這個道理古人早就明白了,，而且運(yùn)用到一項我們熟悉的工藝中：造紙,。無論是手工造紙還是工業(yè)造紙，拿到稻草,、蘆葦桿,、木屑這些原料后，一般都要用化學(xué)方法去除其中的木質(zhì)素,，得到以纖維素為主的紙漿,，再進(jìn)行后續(xù)加工。這種脫木質(zhì)素過程（delignification）是改造木材的一種常用方法,。 木頭加工成紙張之后,，形狀可以輕易改變了，卻也失去了機(jī)械強(qiáng)度,，無法承受大重量的沖壓,、拉扯，這使得紙張基本只能用于印刷和簡單的包裝,。想要讓木頭獲得更廣的應(yīng)用,，我們需要思考：能不能找到一種方法，在不損失機(jī)械強(qiáng)度的前提下,，讓木頭可以像紙一樣折疊,？ 可以塑形的木頭上周發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志的一項研究認(rèn)真探索了這個問題，來自美國馬里蘭大學(xué)的研究人員把造紙的第一步用到了天然木材的處理上,。 但與造紙不同的是,，首先，木材并沒有被打碎成木漿,，研究人員處理的是一塊約3毫米厚的薄木板（作為對比,，一張A4紙的厚度約為0.1毫米）；其次,，脫木質(zhì)素過程并沒有把全部的木質(zhì)素去除,，而是去除了大約55%的木質(zhì)素和67%的半纖維素。經(jīng)過脫木質(zhì)素過程和烘干處理后，研究人員得到了一塊“壓縮木頭”,。由于失去了木質(zhì)素的支持作用,，木頭中的維管和纖維結(jié)構(gòu)坍縮擠壓在一起，木頭變得致密,，依然僵硬,、無法彎折。 接下來研究人員將壓縮木頭浸入水中約3分鐘,。經(jīng)歷了這個被稱為“沖水”（water-shock）的過程之后，壓縮木頭中的纖維結(jié)構(gòu)依然是坍縮的,，但維管結(jié)構(gòu)重新打開了,，讓木頭在微觀上有了空隙，也就有了形變的空間,。這樣處理過后,，研究人員得到了可以塑形的木頭。這種木頭可以多次對折而不斷裂,，這意味著它可以像紙一樣折疊成復(fù)雜的形狀,。而折疊成想要的形狀后，只要在室溫下晾干,，可塑木頭的形狀就固定下來了,。  從左到右依次為天然木材,、壓縮木材、經(jīng)過沖水后的可塑木材及其微觀結(jié)構(gòu)示意圖 圖片來源：Xiao et al., Science 晾干后的木頭比天然木頭擁有更高的機(jī)械強(qiáng)度,。據(jù)研究人員測量,，這種可塑木頭沿木纖維方向的抗拉強(qiáng)度約為300兆帕，抗壓強(qiáng)度約為60兆帕,，分別是天然木材的6倍和2倍,。而且由于密度較低，可塑木頭的比抗拉強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度與密度之比）大約是常用的5052鋁合金板的5倍,。這意味著,，在機(jī)械強(qiáng)度相同的情況下，用可塑木頭做的結(jié)構(gòu)要比鋁合金做的輕得多,。  圖片來源：Xiao et al., Science 374, 2021:465–471 可以切肉的木頭經(jīng)過脫木質(zhì)素處理的木頭顯現(xiàn)出如此巨大的潛力,，既可以輕易改變形狀,，又擁有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度。解決木頭塑性的問題的同時，研究人員也很好奇,，最終成型的木材可以擁有多么高的硬度,？在稍早一些發(fā)表在《物質(zhì)》（Matter）雜志的一項研究中，來自相同科研單位的研究人員探索了木頭的硬度極限,。 研究人員依然先對天然木材進(jìn)行脫木質(zhì)素處理,，得到以纖維素為主的樣品。之后用熱壓機(jī)在室溫和20兆帕的壓力下對樣品進(jìn)行壓縮,，再加熱到105℃進(jìn)行烘干,。最后一步，將樣品浸入食品級油中48小時,，使木材表面獲得防水性,。經(jīng)過這樣處理后，研究人員得到了“硬化木頭”的樣品,。 這種硬化木頭的硬度有多高呢,？研究人員用硬化木頭樣品做了兩把木刀，一把的木纖維走向與刀刃平行,，另一把木纖維走向與刀刃垂直,。掃描電子顯微鏡成像顯示，兩種木刀都比普通鋼制餐刀鋒利得多,。經(jīng)研究人員演示,，這種硬化木刀可以輕易切開半熟的牛排。 除了木刀外,，研究人還用硬化木頭制作了木釘,。經(jīng)拋光處理的硬化木釘可以將三塊木板釘在一起，鋒利程度可以與商用鋼釘匹敵,，并且不易生銹,。除了木刀和木釘外，硬化木頭還可以用來制造地板和家具,，更高的硬度使得這些產(chǎn)品更耐刮擦和磨損,。  研究人員演示用硬化木釘釘木板,。（圖片來源：Bo Chen） 無論可塑木頭還是硬化木頭，對加工條件的要求都非常容易滿足,。其中的脫木質(zhì)素處理在造紙廠中很常見,，后續(xù)的干燥、沖水或壓縮處理也相對容易實現(xiàn),，不像金屬的加工過程,，經(jīng)常需要達(dá)到上千度的高溫,。這大大節(jié)約了生產(chǎn)過程中的能耗，也降低了這些新型木材投入量產(chǎn)的門檻,。而且木頭原料極易獲取,、成本低廉，如果這些木材廣泛取代金屬和塑料,，我們有望以更低的價格買到各種生活用品,。 馬里蘭大學(xué)材料學(xué)家的這兩項研究，為可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)了新的材料,。或許未來某一天,，我們在城市街頭會看到木制品取代了塑料和金屬：汽車的外殼換成了更輕薄、堅硬的木頭,，街燈燈柱是木頭制成的,，和旁邊的樹木融為一體……不過，今天的研究只是解決了木頭塑性和硬度的問題,，要想讓木制品大規(guī)模投產(chǎn)使用,，還有更多問題有待解決：怎樣防止木頭長真菌,、生蟲,？木制品的防火性如何保障？我們期待未來的研究逐步解決這些問題,，讓木頭這種古老的材料,，再次改變我們生活的面貌。 撰文：白德凡 審校：十米 論文鏈接： https://www./doi/10.1126/science.abg9556 https://www./matter/fulltext/S2590-2385(21)00465-3 |
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