木头有望取代钢铁？中国科学家将天然木材硬度提高23倍，化学处理4小时即可实现

木刀切肉，能切动吗？

图 | 木刀切牛排
木钉子固定木板，这可行吗？

图 | 木钉固定木板
10 月 20 日，马里兰大学李腾课题组新论文的发表，让这一切成为可能[1]。

图 | 李腾
他表示，化学处理后的硬化木材，是上述木刀和木钉的原材料，其硬度是天然木材的 23 倍，锋利程度超过不锈钢餐桌刀。
当天，相关论文以《硬木材作为钢和塑料的可再生替代品》（Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic）为题发表在 Matter 上。

图 | 相关论文
地球有 3 万多亿棵成熟树木，硬化木材前景极佳
我们几乎天天离不开硬材料，但被广泛使用的硬质材料往往不可再生，而且价格昂贵。许多硬材料的合成需要超高温和超高压等极端条件，因此构成了潜在安全挑战，也会消耗巨大能量。

此外，合成过程往往会排出大量废气。因此，非常有必要制备一种工艺简单、可持续、且低成本的硬材料替代品。
以制备木刀的硬化木材为例，同样制备合金刀和陶瓷刀，至少需要多出 10 倍的温度和压力。硬化木材的优势由此可见一斑，那么如何制备硬化木材？
纤维素是木材的主要成分，其比强度（强度/密度）比多数工程材料比如陶瓷、金属和聚合物都要高。但是木材的强度低于纤维素，这是因为木材本身组成中只有 40%-50% 的纤维素，其余的则由半纤维素和木质素组成， 而且天然木材中含有大量的孔洞。
李腾课题组采用的做法是尽量保持天然木材中的纤维素含量和结构，并且大幅度降低材料中的缺陷（比如孔洞，通道等）。过程分为两步：
第一步是将木材脱掉木质素，即将木材浸泡在含有氢氧化钠和亚硫酸钠的溶液中，当温度达到 100℃ 下将溶液煮沸几个小时。天然木材的刚性大，不易变形，而在去除木质素后，它会变得柔软、灵活。
第二步，给已被进行化学加工的木材施加压力和热度，过程中它会受到热压，水分会被去除，密度也会变得更大，然后在 100℃ 左右干燥，最终制备出硬化木材。
去除部分木质素和半纤维素，并用去离子水冲洗
下图是将原料木材、转成硬化木材的加工策略示意图。首先通过化学处理，从天然椴木中去除部分木质素和半纤维素，然后用去离子水冲洗。

图 | 将原料木材转成硬化木材的加工策略示意图

接着，在室温下把部分脱木质素的木材样品，放在垂直于木纤维的方向进行压缩，借此挤压原材料中的孔隙和坑，并挤出其中的水。
随后，把部分脱木质素的木材样品，进行热压干燥，来让它更致密。
借此产生的硬化木材，比原材料强大 23 倍，原因在于其显著密集的材料结构，可增强硬化木材中相邻纤维素纤维之间的氢键形成。

图 | 硬化木材比原材料强大 23 倍
然后将硬化木材浸入食品级矿物油中做表面处理，以提高其耐水性。通过切割和抛光，进一步将它加工成木刀和木钉，以展示其作为一次性桌刀和钢钉替代品的潜在应用。

图 | 处理表面，以及制作成木刀和木钉
化学处理 4 小时，可让硬化木材达到最佳硬度
那么，普通木材和硬化木材的硬度有何不同？如下图，图 A 和图 B 分别显示了天然椴木在 R-T 和 R-L 平面上的形态，沿木材的生长方向上，含有很多大小不一的管状通道和孔隙。

图 C 和图 D 则显示了硬化木材的相应形态，其中木细胞壁完全坍塌，纤维素纤维密集地平行排列。

图 | 天然椴木和硬化木材的对比
与此同时，硬化木材样品的厚度，比原木材少了约 20%。由此可见，硬化木材的致密化程度，与化学加工过程中去除的木质素密切相关。
在脱木质素的过程中，还对原材料进行了三个不同时间的化学处理，借此研究处理时间和木质素含量的依赖关系。
研究中，他们分别测量了硬化木材样品在其表面和中心附近的木质素含量。
如下图所示，在对硬化木材样品做 2 小时的化学处理时，木质素含量分别为表面 19.67+/-1.13wt%、中心 20.31+/-0.61wt%；
做 4 小时的化学处理时，木质素含量分别为表面18.04+/-1.09wt%、中心 18.86+/-0.25wt%；
做 6 小时的化学处理时，木质素含量分别为表面 16.89+/-0.80wt% 和中心 17.83+/-1.05wt%。

图 | 不同化学处理时间下，对应的硬化木材样品的木质素含量

即当化学处理时间相同时，中心部分的木质素含量均略高于表面部分，原因在于化学物质在木材表面附近的扩散速率，高于高温中心的扩散速率。
在不同的化学处理时间下，分别测定了硬化木材样品的半纤维素含量。分别做化学处理 2 小时、4 小时、6 小时，硬化木材样品中半纤维素含量依次是 18.50+/-0.87wt%、17.47+/-0.51wt% 和 16.89+/-0.40wt%。
这表明，化学处理时间越长，硬化木材中半纤维素含量较低。
那么，处理几小时可得到最佳硬度？由于布氏硬度试验方法常用于评价材料硬度，基于此他们通过在硬化木材表面施加 30kg 的力而产生压痕。
然后使用光学显微镜对压痕进行了表征和分析，结果发现凹部下方的木纤维会变形、并形成弯曲形状。

图 | 凹部下方的木纤维会变形，并形成弯曲的形状
结果表明，化学处理时间为 4 小时的硬化木材样品，比化学处理时间为 2 小时和 6 小时化学处理时间的样品，具有更高的布氏硬度，大约是天然椴木的 23 倍。
通过矿物油处理，来增强高温表面耐水性
木材的主要成分是亲水性的纤维素。因此，天然木材具有吸水性。因此，进行矿物油处理可增强高温表面的耐水性。
如下图，已形成的硬化木材表面、油处理后的硬化木材表面的接触角分别为 45.3+/-0.6 度和 79.9+/-1.8 度，这表明硬化木材表面的耐水性显著提高。

为了进一步证明油处理后的硬化木材的耐水性，他们把它完全浸入去离子水中 24 小时。
并在浸水实验前后分别测量样品的厚度，结果发现浸泡 24 小时后，预制硬化木材的厚度增加幅度为 101.0%；而油处理后的硬化木材厚度增加幅度仅 24.6%。

在重量增加百分比上，经过 24 小时去离子水浸泡的成品硬化木材的重量增加 46.5%，油处理后的硬化木材重量增加了 14.2%。
与此同时，去离子水浸泡 24 小时后的人造硬化木材，其布氏硬度出现显著下降，而 24 小时油处理后的硬化木材中布氏硬度仅略有下降。
以上实验表明，矿物油处理时提高抗水性的一种简单而有效的策略。
由于木材中的纤维素具有吸收性，因此当木材被雕刻成所需形状后，再给其涂上矿物油即可延长寿命，有了这一涂层，在使用时或进行清洗时，木刀即可保持锐度。

木刀和钉子，分别对应切割功能和固定工具功能
硬材料最重要的两种应用，是切割和固定，比如我们使用菜刀切肉、使用钉子固定物品。

为了证明硬化木材力学性能的意义，他们分别展示了硬化木材在切割能力、和固定能力上的两种潜在应用，即文章开头的木刀和木钉。
考虑到木纤维排列方向下的各向异性材料结构，他们制备出两种木质刀片：I 型硬化木材刀和 II 型硬化木材刀。前者是木纤维的方向平行于刀片，后者则是木纤维的方向垂直于刀片。
在对比商用钢桌刀、塑料桌刀、木桌刀、I 型和 II 型硬化木材刀的之后，他发现这两种木刀比塑料刀、钢桌刀和木桌刀都更锋利。
实验中，他们还设置了两种切割模式：不滑动和滑动。
结果发现，滑动模式下的切割力，一般小于非滑动模式下的切割力。而在任何一种切割模式下，II 型硬化木材刀比 I 型硬化木材刀更锋利，原因是沿木材纤维方向的硬化木材的刚度，高于垂直于木材纤维方向的硬化木材刀。
此外，硬化木材不仅具有特殊力学性能，还不会像金属一样生锈，这表明它具备作为固定材料的候选潜力。
作为演示，他们通过雕刻一块硬化木材和表面抛光来制造一个硬化木材木钉。
研究中，他们比较了一个 6 号钢钉（直径约 3 毫米，长度约 5 厘米）、和一个相似尺寸的硬化木材钉。为了证明硬化木材钉的有效性，他将硬化木材钉和钢钉锤向每层 5 毫米厚的三层天然椴木，并用木钉将它们固定在一起。
实验证明，在通过天然木层的穿透过程中，木钉或钢钉都没有发生损坏。

硬化木材的主要原料是椴木、氢氧化钠、亚硫酸钠，这都是供应丰富、且成本很低的商品。同时，通过回收和重用化学品，还可进一步降低硬件的制造成本。
李腾表示，未来这种木材也可用来制造更耐抓挠和磨损的硬木地板和硬化木门。如果需要的话，还可进行清洗、干燥和重新磨尖硬化木材制品，以便延长使用寿命。
他也坦言，尽管实现了木头本身能达到一部分力学行为，并没有把木头的最大潜力挖掘出来，即便如此也将木头硬度提高 23 倍。
其中最主要的原因在于，大幅降低了木头缺陷数量和缺陷幅度，从而极大提升了木头硬密度。
在未来，也可把硬化木材做得更大更薄，如此就能把超硬木片贴在不同结构上，从而用在更多场景中。
从教 16 年，如今借助视频号业余科普影响更多人
虽然人在海外，但是李腾看到微信的巨大潜力，2020 年微信视频号的兴起，让他在业余时间开始做起科普，这也让他得以触达更多人，尤其是青年科研人员。

他举例称，有一次和两位博士后讨论完问题之后，他把自己讲的内容，做了一个短视频在他的“李腾教授”视频号发布，最终有几万人观看。
后来他和学生说，看似多花了一点时间做视频，但原本只让他们俩受益，现在则能让几万人从中受益。这种放大的倍数，让他愿意花时间投入。
李腾说自己做了 16 年的教授，虽然教过很多学生，但是比起做视频号和直播能影响到的受众，在量级上的差别非常大，而这也让他非常有满足感。
此次硬化木材的视频，也在国外媒体广泛流传。可以说，李腾的木材研究贴合环保趋势，业余视频直播科普则紧跟新型传播手段。而这一切，都是在用科学影响世界。
-End-

参考：
[1]、Chen et al., Matter 4, 1–12(2021)https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.09.020

---