木材——源于樹木，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。木材具有獨特的精密微結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能（如低密度、高強高韌、可再生可循環(huán)性），同時也啟發(fā)研究人員創(chuàng)造出各種仿木頭材料。鑒于此，中國科學技術(shù)大學俞書宏院士團隊系統(tǒng)性地闡述了仿生人工木材的概念，并對其機理、調(diào)控和應用，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，同時有助于提高機械強度，特別是在平行于孔道的方向上。孔壁在機械性能中也起著關(guān)鍵作用，其主要由化學交聯(lián)的無定形多酚聚合物（即木質(zhì)素）組成，賦予了木材剛性。
2. 設計原則與材料選擇
人工木材的制備包括兩個要點，孔道和孔壁。取向孔道完全可以通過冷凍鑄造得到，但是現(xiàn)有的聚合物仿木材的強度卻遠遠達不到天然木材的強度，究其原因是線性聚合物分子網(wǎng)絡的本征強度不高?；诖嗽O計原則，俞書宏院士團隊在2018年研發(fā)出強度堪比天然木材的人工木材（抗壓強度高達45MPa），該人工木材以剛性聚合物酚醛樹脂、密胺樹脂為基體材料，同時兼具防火隔熱與耐腐蝕等優(yōu)異性能。相關(guān)工作見Science Advances 2018, 4, eaat7223。
3. 孔道和孔壁的調(diào)控
通過控制初始冷凍溫度、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，以實現(xiàn)不同應用場景的需求。
4. 性能與應用
由于在微觀結(jié)構(gòu)設計和化學成分選擇方面存在無限的可能性，因此人造木材有望為我們帶來諸多可能的應用，如輕質(zhì)高強材料、物質(zhì)定向運輸、隔熱防火等。
5. 結(jié)論與展望
為了復刻木材的微觀結(jié)構(gòu)并獲得令人滿意的機械性能，設計時應同時考慮孔道和孔壁。通過凍結(jié)澆鑄構(gòu)筑孔道已是最常用技術(shù)，因此孔壁應引起更多關(guān)注?？妆谑蔷哂袆傂枣湺蔚母叨然瘜W交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡，在決定人造木材的機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，因此迫切需要開發(fā)更好的方法來有效地將聚合物與孔道構(gòu)筑結(jié)合起來。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，針對冷凍鑄造，由于能耗與效率較低，如何實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還有很長的路要走。
從基體材料來看，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，會對環(huán)境產(chǎn)生惡劣的影響。尋找環(huán)保材料勢在必行。有兩種方法可以實現(xiàn)最終目標（具有良好機械性能、完全可生物降解的人造木材）。
首先，從生物質(zhì)材料開始，利用新穎的技術(shù)將這些靈活的生物分子組裝成堅固的人造木材；或者，將工程聚合物改性為可生物降解或可回收的聚合物，但不以顯著犧牲機械性能為代價。目前，第二個最佳選擇似乎更為可行，因為已證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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