李堅(jiān)

（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040）

卷首文摘

大自然的啟發(fā)
——木材仿生與智能響應(yīng)

李堅(jiān)

（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040）

李堅(jiān) 遼寧阜新人，東北林業(yè)大學(xué)教授，中國(guó)工程院院士，國(guó)際木材科學(xué)院院士。主要研究方向?yàn)榧{米纖絲化纖維素與氣凝膠、木材仿生與智能化、木材碳學(xué)與綠色加工、木材保護(hù)與功能修飾等系列技術(shù)。

仿生學(xué)就是通過(guò)研究自然界生物的結(jié)構(gòu)、性狀、行為以及與生存環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制，為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)。為木材的各類加工技術(shù)，諸如化學(xué)的、物理的或生物的加工，提供新的理念，新的設(shè)計(jì)，新的構(gòu)成，而賦予木材新的功能或智能響應(yīng)性的科學(xué)，稱其為木材仿生科學(xué)。

自然界的生物體經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的物競(jìng)天擇、優(yōu)勝劣汰，其結(jié)構(gòu)與功能已趨至完美，實(shí)現(xiàn)了宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的有機(jī)統(tǒng)一。如荷葉的滴水不沾特性、棉花的輕柔飄逸特性、海鞘的環(huán)境響應(yīng)特性、貝殼的“磚—橋—泥”層級(jí)結(jié)構(gòu)、候鳥(niǎo)海龜?shù)摹扒Ю镞w徙”和“萬(wàn)里洄游”特性、樹(shù)根的自修復(fù)特性等現(xiàn)象已切實(shí)體現(xiàn)了自然生物體微觀結(jié)構(gòu)與宏觀功能的和諧統(tǒng)一。同樣，自然界的這些生物體所固有的智能行為和獨(dú)特的自然屬性給予了木材科學(xué)無(wú)盡的啟發(fā)，從大自然給予的啟發(fā)，依據(jù)生物學(xué)原理和現(xiàn)代技術(shù)開(kāi)展木材仿生與智能響應(yīng)研究，向自然界學(xué)習(xí)，模仿自然界生物體功能中的某一方面，構(gòu)筑相似甚至超越自然生物體功能的新型木質(zhì)基仿生材料，完成智能操縱的過(guò)程，進(jìn)而獲得高效率、低能耗、環(huán)境和諧與快速智能應(yīng)變的木質(zhì)基新材料，賦予木材奇異功能或創(chuàng)生新型復(fù)合材料的發(fā)展空間。

木材是一種天然的有機(jī)復(fù)合材料，由各種不同的組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分構(gòu)成，是一類結(jié)構(gòu)層次分明、構(gòu)造有序的聚合物基天然復(fù)合材料。從米級(jí)的樹(shù)干，分米、厘米級(jí)的木纖維，毫米級(jí)的年輪，微米級(jí)的木材細(xì)胞，直到納米級(jí)的纖維素分子，具有層次分明、復(fù)雜有序的多尺度分級(jí)結(jié)構(gòu)，為木材仿生高性能化材料和制備特殊的多級(jí)多尺度結(jié)構(gòu)新型材料奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。木材除擁有精妙的多尺度分級(jí)結(jié)構(gòu)外，還具有天然形成的精細(xì)分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，孔的形狀有不規(guī)則的圓形、方形、橢圓形和多邊形等，孔徑尺寸具有從毫米到納米的明顯分級(jí)特征。木材形態(tài)各異的管孔形狀、尺寸和分布特征，為設(shè)計(jì)和制備各種分級(jí)多孔材料提供了廣闊的選材空間。除了具有結(jié)構(gòu)層次分明、構(gòu)造復(fù)雜有序、分級(jí)結(jié)構(gòu)鮮明、多孔結(jié)構(gòu)精細(xì)等特性，木材同時(shí)具有各向異性、低密度、高彈性、機(jī)械性能優(yōu)良和來(lái)源豐富、可再生、清潔等特點(diǎn)，為木材仿生奠基了廣闊的空間。

木材天生是一種自然智能響應(yīng)性生物材料，像其他生物系統(tǒng)一樣，具備感知、驅(qū)動(dòng)和控制3個(gè)基本要素，具有生物系統(tǒng)獨(dú)有的3大自律機(jī)制：結(jié)構(gòu)自組織、損傷自修復(fù)和環(huán)境自適應(yīng)。而木材由于自身的生物結(jié)構(gòu)和形成物質(zhì)，又具有它某些獨(dú)特的智能性調(diào)節(jié)作用的性質(zhì)。（1）木材的智能性調(diào)濕調(diào)溫功能：具有智能的調(diào)溫功能，即“冬暖夏涼”。（2）木材的智能性生物調(diào)節(jié)功能：木材的視感與人的心理生理學(xué)反應(yīng)遵循和符合1/f漲落自然規(guī)律。木材所具有的1/f波譜漲落與人體中所存在的生物節(jié)律（節(jié)奏）之漲落一致時(shí)，人們就產(chǎn)生平靜、愉快的心情而有舒適之感。（3）木材的智能性調(diào)磁功能：木材具有調(diào)節(jié)“磁氣”和減少輻射的智能性功能。在木質(zhì)環(huán)境中，因木材不能屏蔽地球磁力作用，所以，生物體可以保持正常、安定的生活節(jié)奏。木材對(duì)于人體不足的磁氣又具有自然補(bǔ)充的機(jī)能，所以可以促進(jìn)自律神經(jīng)活動(dòng)，適宜的磁氣對(duì)減少高血壓、風(fēng)濕癥、腎病等多種疾病的發(fā)生有一定影響。（4）木材具有天然的美學(xué)性質(zhì)：從遠(yuǎn)古到現(xiàn)代乃至將來(lái)，人們對(duì)木材情有獨(dú)鐘，這皆因木材具有其他任何材料無(wú)可比擬的美質(zhì)和美感。木材之美乃天然之美，符合現(xiàn)代人“親近自然”的追求，主要體現(xiàn)在木材的質(zhì)地、紋理和豐富多彩的花紋圖案，它能帶給人們非常美好的視覺(jué)、觸覺(jué)和嗅覺(jué)。木材來(lái)源于樹(shù)木，樹(shù)木生長(zhǎng)于高山峻嶺之上、綠水青山之中。因此木材不同于其他材料，它是一種生物質(zhì)材料，具有生物的生氣與靈性。木材的這種生氣與靈性正是木材之美的真諦所在。

總之，木材源于自然，擁有大自然賜予的精妙的多尺度分級(jí)結(jié)構(gòu)、天然形成的精細(xì)分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)、智能的調(diào)濕、調(diào)溫、生物調(diào)節(jié)、調(diào)磁、天然美學(xué)等多種智能性功能，木材的這些天然的自然屬性為開(kāi)展木材仿生與智能響應(yīng)科學(xué)研究奠基了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，為仿生構(gòu)筑高性能木質(zhì)新材料提供了廣闊的發(fā)展空間。木材仿生與智能響應(yīng)科學(xué)研究期望以自然界給予的各種現(xiàn)象為啟發(fā)，進(jìn)行自然界生物體的結(jié)構(gòu)，功能、行為、視覺(jué)等仿生研究，充分利用木材自身獨(dú)特的天然結(jié)構(gòu)與屬性，將其與納米技術(shù)、分子生物學(xué)、界面化學(xué)、物理模型等相結(jié)合，制備出具有奇異性能的仿生木質(zhì)基新型材料。堅(jiān)持創(chuàng)新理念，主動(dòng)增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，今后應(yīng)聚焦關(guān)注：響應(yīng)性智能高分子膜的設(shè)計(jì)與制備；結(jié)構(gòu)化仿生表面的設(shè)計(jì)與制備（包括軟印刷技術(shù)）；木材中膽甾型液晶相的奇異光學(xué)性質(zhì)。同時(shí)倡導(dǎo)并加強(qiáng)木材科學(xué)與其他相關(guān)學(xué)科之間進(jìn)行廣泛、深入的交叉融合，實(shí)現(xiàn)“它山之石，可以攻玉”。

—— 摘自《科技導(dǎo)報(bào)》2016年第19期