木材与化学在科学家的巧妙运用之下，能组合出奇材妙法，为人类提供具备多种用途的可持续材料。身兼科学记者和科学史研究者二职的基特 · 查普曼惊叹于实验室里的木材化学，并撰文向我们介绍了奇妙的木世界。
人称“木头大王”的华裔科学家胡良兵，能让木头像乒乓球一样跳动，也可以把它像橡胶玩具一样压扁，更能使木材坚硬胜过钢铁。正如他在美国马里兰大学的实验室里所解释的，你只需运用一套简单的化学反应——用上氢氧化钠和亚硫酸钠，并加热与加压——即可创造这一切。木材是一种新金属、新塑料、新混凝土。你所要掌握的，是如何通过化学手段摆弄它。
胡良兵等学者的工作正开创木材技术的新时代，也在颠覆我们对木头这一地球上最丰富且可再生的资源的认知。
不侵之木
之前的木材科学领域沉寂已久。美国威斯康星大学麦迪逊分校复合农业材料教授罗杰 · 罗威尔（Roger Rowell）表示：“20世纪的木材研究停滞不前，大量工作都是对以往成果的模仿，人们追求最容易实现的目标，缺乏创新，这令人失望。”
目前，大多数围绕木材进行创新的尝试都涉及“将它们规模化地应用于现有技术”。举个例子，2020年底，日本京都大学教授、前宇航员土井隆雄（Takao Doi）开始开发木材作为建造卫星的替代材料。在他看来，相比于传统的铝和钢，木材结构的卫星不仅能节省成本，而且只要工作寿命结束，就可以在轨道上燃烧殆尽，不释放氧化铝或金属小碎片，不给高层大气添加“太空垃圾”。土井隆雄的卫星WISA Woodsat是第一颗木制卫星。
无论如何，木制卫星的概念确实太宏伟了。据估计，每年有150亿棵树被砍伐，然后以木材、纸张或木浆的形式为人类服务。有研究人员认为，木材行业在很大程度上忽视了其原材料的化学成分的潜力。
罗威尔表示，理解木材的关键在于，它不是一种单一、标准化的材料。“如果你要的是404级不锈钢，全世界提供的都一模一样。但换成木头，每一块都不一样。它是一种三维复合材料，同时也是生物聚合物。当你研究木材时，你在研究高分子化学、生物化学、碳水化合物化学、木质素化学、水分运动、膨胀、收缩和腐烂。要真正了解木材，解释其特性，你必须从内到外观察它。
木材的化学组成因树的类型而异，但从整体层面看来相对简单。木材主要就是纤维素、半纤维素以及木质素的组合。木质素是一类复杂的有机聚合物，其分子链凝集为直径在纳米尺度的基纤维，基纤维再编织成直径约50微米的纤维丛。
不过罗威尔认为，我们缺乏在分子水平上对木材本质的理解，这意味着我们没有针对木材的主要问题思考解决方案。举个例子，木材的潮湿和腐烂，通常由真菌引起。“整个木材防腐行业都聚焦于毒性，而不是真菌攻击的机制。大自然不会浪费能量去攻击它不能攻击的事物——把真菌放到玻璃上，它就什么都做不了。”罗威尔的研究重点是让木材变得“缺少吸引力”。若让木材经受乙酸酐处理（更专业的说法叫“乙酰化处理”），其植物细胞壁就会与后者发生反应，羟基被乙酰基取代。这样做的好处是木材更加干燥，因此变得更稳定不易受侵害，甚至还恢复了因采伐而损失的体积。“乙酰化的木头看起来仍旧是木头！但它不会腐烂、膨胀或收缩。”
当然，上述做法只是实现木材潜力的一种选择。其他团队正使用更简单的化学反应，试图改写木材功能的规则手册。
增密复材
胡良兵改造木材的方法很新颖。最开始，他的研究重点是碳纳米管，后来他意识到，同样的工作原理也可应用于木材。“木材是一种纳米复合材料。如果要从整体上认知木材，你得先拿个木材科学的博士学位。但我对那些不感兴趣。我的目标是给这种大型多孔复合材料里的纳米纤维增强性能。”通过专注于化学改造，胡良兵的实验室已经实现了种种神奇创造。“我们的改造方向有两条，一种是让木材尽可能致密，从而尽可能坚固；另一种，则是令它尽可能多孔，从而形成良好的绝缘材料，并允许你调整光学属性……你几乎可以做任何事情。”
为了强化木材，使用氢氧化钠（2.5 mol/L）和亚硫酸钠（0.4 mol/L）的混合物处理木材7小时，将其中的木质素和半纤维素去除，然后在100℃下热压大约一天。这能破坏木材膜的细胞壁，压缩它们并排列纤维素纳米纤维，从而令木材的厚度减少80%。胡良兵说道：“这种特制超级木材的强度甚至好过钢，而重量又只有后者的1/6。你要想折断它，那绝对难比登天。”
木材的用途不只有承重。2018年，胡良兵发表一篇论文，介绍了木材用作低成本、轻型防弹衣的可能性。根据论文说法，他们在向致密“木甲”发射一颗子弹后，发现它不仅产生了一个比天然木材小得多的弹孔，还能够吸收10倍于天然木材的动能。
“增密”木材的影响更为深远。胡良兵表示：“我们追求脱碳。最好的一种方式就是种更多树，砍更少树。如果你砍下的木材能保存非常久，那就等于它可以作为二氧化碳的贮存容器，能帮我们固碳非常久。木材被致密化后，不仅更坚固，也更耐白蚁、更耐水，降解时间也更长。它可以代替钢材和混凝土。我们不妨算算账，生产每千克钢铁需要排放二氧化碳约1.85千克，而木材呢，0.05千克足矣。从本质上讲，树木是巨大的二氧化碳储库。以可持续的方式改造、使用木材，将其用作钢铁的可再生替代品，会让我们的环境收益良多。
木棉淡海
前文提到的另一条方向——多孔化方向——是怎么样的呢？将软木以沸水煮之，然后浸泡在特定溶液内，冷冻，再冷冻干燥。经过这些处理，木材细胞壁里的木质素和半纤维素变薄，羰基和碳氧键伸展，但没有被破坏。它们释放出纤维素原纤维，在木材的弱化细胞之间形成凝胶，这些弱化细胞已经转变成了蜂巢网格。
结果如何呢？柔软的木材即使以70%的幅度压缩超过10 000次，也仍能保持弹性且无疲劳迹象。此外，纳米原纤维会产生通道，从而实现离子导电。2021年，胡良兵团队将原纤维浸泡于铜碱溶液，后又浸泡于电解质中以添加锂离子。最终用它制成的电池性能比基于聚合物的电解质好了几十上百倍。
如胡良兵所言，木材的光学特性也可通过简单改变细胞壁来调整。他说道：“木头看起来是白色的，但在红外线下是完全黑色的。如果你把它用作屋顶，房子最多可降温10℃。这是一种优异的隔热工具。”胡良兵等人甚至开发了透明木材，允许大约92%的光线通过。
胡良兵的马里兰大学团队不仅仅致力于极限改造，也喜欢巧用大自然已经赋予木材的特长。“不同类型的木材可以增密成性能相同的建筑材料，但我们不应忽略它们的不同。有时候，不同树木的不同微观结构，经过科学家的排列组合与灵活应用，能展现神奇功用。”胡良兵正探索能否将木材的结构用于海水淡化。“海水淡化的一个主要问题是，当你用设备收集蒸汽时，设备表面也会接收大量盐分，这对于普通机器来说是致命的。但是树木呢？它们每天都在做这种事情，对吧？”此言不假，树木简直就是活着的抽水机，而且其树干中既有大通道也有小通道。“你只要正确地切割木头，就可确保它被太阳辐射加热，内部液态水变成水蒸气，然后收集它，而盐分则留在木头里。通常，木材膜会开始积聚盐分，但因为它们有大通道，故盐分最终能回到海洋。”
胡良兵的团队可以将木材变成结构材料或光学材料
研究的挑战在于如何将树木里的海水淡化奇迹形成工业化的规模应用。“基础设施已经到位。仍有待解决的问题是化学物质该怎样扩散到结构中。它有一个浓度梯度。如果你有足够时间处理中心的木材，表面的纤维会损坏。这是目前的一个主要障碍。”
树维打印
以色列耶路撒冷希伯来大学的多伦 · 凯姆（Doron Kam）以一种很独特的视角看待木材。“以色列基本就是个沙漠国家，我们几乎没有森林！木材是一种神奇的材料。它能承受紫外线辐射和温度变化。人类砍伐树木，将它们砍成更小的碎片，然后又把它们粘在一起。所以我开始思考一个问题：我们能像大自然一样，用自下而上的方法创建木材吗？”
凯姆开始研究纤维素纳米晶体。此类材料能够自组装成手性胆甾相液晶，具备很大的应用潜力，例如用于研发防伪纸或无反射镜激光，科学界针对它们的探究工作早已展开。值得一提的是，这些纳米晶体很容易通过木纤维的简单水解来制造。凯姆表示：“水解的最终结果是长约100～150纳米、直径约3纳米的小晶须处于水悬浮液中，形成一个胶体系统。而且，由于它们是纳米级的东西，我们认为它们会是一种很好的树脂。”
通过将精细粉碎的木粉（显微可见的木纤维）分散于纤维素纳米晶体和木葡聚糖（一种存在于细胞壁中的半纤维素）中，凯姆团队实现了木材的3D打印，同时不需要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。“我们开始打印各种物体。这是一个好的开端。”
这些木制螺旋结构被打印为二维双层。通过使用不同打印参数，它们随着时间推移而呈现不同结构
凯姆等人开始打印简单的东西：用两种不同类型木材组合成的棋盘、花格窗、木制螺母和螺栓。而这仅仅是开始。凯姆如此说道：“一棵树被砍倒后，水分从原木中蒸发，不同的树纹呈圆柱形不对称，这种取向差异会导致木材翘曲。我们就想，能不能人为模仿树木的这套结构机理，了解并尝试控制木材的翘曲。”显然，他们若真能掌握这里头的诀窍，肯定也能更好地掌控木材3D打印，制作出任何他们想要的形状的多功能木结构。另外，由于木粉是建筑废弃物，他们的项目也是绿色化学典范。
但凯姆也承认，他们的成果存在缺陷。“我们的系统非常混乱，系统成分是多分散的，就像在自然界中那样，因为木粉具有各种各样的形状和尺寸，变化范围有几十微米，甚至其纤维素纳米晶体的尺寸也可相差几十纳米。现在，我们可以展示自己对不同现象的理解，可以对其建模，可以创建这些对象。我们专注于基本问题，而不只是应用。”
要将新技术推向市场，还需解决另一个问题。目前，此类印刷品很容易受到水的损害，即便短时间暴露，也可能失去强度。凯姆指出：“如果不加入任何合成材料，怕水就是它的最大弱点。现阶段，我们不知道怎样在无合成树脂的情况下让木基生物聚合物很好地交联。人们正试图通过压缩木制品来解决这个问题，此外许多团队正研究不同的酶。”
木材科学目前仍有障碍需要清除。但只要问题解决了，木材将以超乎想象的方式让我们惊叹。对于胡良兵来说，应当加快推进木材科学。“世界将需要更多材料，而好消息是木头全世界到处都是——你可以使用当地的资源，并在当地进行加工，然后就开始解决供应链中的全球材料短缺问题。”
罗威尔表示：“木材行业历史悠久，多数从业者的父辈祖辈就是锯木厂工人。我们有了一些新技术，但人们还是因循守旧，很难让老派的木材从业者改变想法，或提出不一样的新想法。木材相关的纳米技术已发展20年，但我们还未真正将其付诸实践。我们需要改变心态，需要认识到木材的潜力，我们未来的材料和化学品都将发源于它。”
资料来源 Chemistry World
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本文作者基特·查普曼（Kit Chapman）是英国法尔茅斯的科学作家和科学记者
