木材與化學(xué)在科學(xué)家的巧妙運(yùn)用之下，能組合出奇材妙法，為人類提供具備多種用途的可持續(xù)材料。身兼科學(xué)記者和科學(xué)史研究者二職的基特 · 查普曼驚嘆于實(shí)驗(yàn)室里的木材化學(xué)，并撰文向我們介紹了奇妙的木世界。

人稱“木頭大王”的華裔科學(xué)家胡良兵，能讓木頭像乒乓球一樣跳動(dòng)，也可以把它像橡膠玩具一樣壓扁，更能使木材堅(jiān)硬勝過(guò)鋼鐵。正如他在美國(guó)馬里蘭大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里所解釋的，你只需運(yùn)用一套簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)——用上氫氧化鈉和亞硫酸鈉，并加熱與加壓——即可創(chuàng)造這一切。木材是一種新金屬、新塑料、新混凝土。你所要掌握的，是如何通過(guò)化學(xué)手段擺弄它。

胡良兵等學(xué)者的工作正開創(chuàng)木材技術(shù)的新時(shí)代，也在顛覆我們對(duì)木頭這一地球上最豐富且可再生的資源的認(rèn)知。

不侵之木

之前的木材科學(xué)領(lǐng)域沉寂已久。美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校復(fù)合農(nóng)業(yè)材料教授羅杰 · 羅威爾（Roger Rowell）表示：“20世紀(jì)的木材研究停滯不前，大量工作都是對(duì)以往成果的模仿，人們追求最容易實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，缺乏創(chuàng)新，這令人失望?！?/p>

目前，大多數(shù)圍繞木材進(jìn)行創(chuàng)新的嘗試都涉及“將它們規(guī)?；貞?yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)”。舉個(gè)例子，2020年底，日本京都大學(xué)教授、前宇航員土井隆雄（Takao Doi）開始開發(fā)木材作為建造衛(wèi)星的替代材料。在他看來(lái)，相比于傳統(tǒng)的鋁和鋼，木材結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星不僅能節(jié)省成本，而且只要工作壽命結(jié)束，就可以在軌道上燃燒殆盡，不釋放氧化鋁或金屬小碎片，不給高層大氣添加“太空垃圾”。土井隆雄的衛(wèi)星WISA Woodsat是第一顆木制衛(wèi)星。

無(wú)論如何，木制衛(wèi)星的概念確實(shí)太宏偉了。據(jù)估計(jì)，每年有150億棵樹被砍伐，然后以木材、紙張或木漿的形式為人類服務(wù)。有研究人員認(rèn)為，木材行業(yè)在很大程度上忽視了其原材料的化學(xué)成分的潛力。

羅威爾表示，理解木材的關(guān)鍵在于，它不是一種單一、標(biāo)準(zhǔn)化的材料?！叭绻阋氖?04級(jí)不銹鋼，全世界提供的都一模一樣。但換成木頭，每一塊都不一樣。它是一種三維復(fù)合材料，同時(shí)也是生物聚合物。當(dāng)你研究木材時(shí)，你在研究高分子化學(xué)、生物化學(xué)、碳水化合物化學(xué)、木質(zhì)素化學(xué)、水分運(yùn)動(dòng)、膨脹、收縮和腐爛。要真正了解木材，解釋其特性，你必須從內(nèi)到外觀察它。

木材的化學(xué)組成因樹的類型而異，但從整體層面看來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。木材主要就是纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素的組合。木質(zhì)素是一類復(fù)雜的有機(jī)聚合物，其分子鏈凝集為直徑在納米尺度的基纖維，基纖維再編織成直徑約50微米的纖維叢。

不過(guò)羅威爾認(rèn)為，我們?nèi)狈υ诜肿铀缴蠈?duì)木材本質(zhì)的理解，這意味著我們沒(méi)有針對(duì)木材的主要問(wèn)題思考解決方案。舉個(gè)例子，木材的潮濕和腐爛，通常由真菌引起?！罢麄€(gè)木材防腐行業(yè)都聚焦于毒性，而不是真菌攻擊的機(jī)制。大自然不會(huì)浪費(fèi)能量去攻擊它不能攻擊的事物——把真菌放到玻璃上，它就什么都做不了。”羅威爾的研究重點(diǎn)是讓木材變得“缺少吸引力”。若讓木材經(jīng)受乙酸酐處理（更專業(yè)的說(shuō)法叫“乙?；幚怼保?，其植物細(xì)胞壁就會(huì)與后者發(fā)生反應(yīng)，羥基被乙酰基取代。這樣做的好處是木材更加干燥，因此變得更穩(wěn)定不易受侵害，甚至還恢復(fù)了因采伐而損失的體積?！耙阴；哪绢^看起來(lái)仍舊是木頭！但它不會(huì)腐爛、膨脹或收縮?！?/p>

當(dāng)然，上述做法只是實(shí)現(xiàn)木材潛力的一種選擇。其他團(tuán)隊(duì)正使用更簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，試圖改寫木材功能的規(guī)則手冊(cè)。

增密復(fù)材

胡良兵改造木材的方法很新穎。最開始，他的研究重點(diǎn)是碳納米管，后來(lái)他意識(shí)到，同樣的工作原理也可應(yīng)用于木材。“木材是一種納米復(fù)合材料。如果要從整體上認(rèn)知木材，你得先拿個(gè)木材科學(xué)的博士學(xué)位。但我對(duì)那些不感興趣。我的目標(biāo)是給這種大型多孔復(fù)合材料里的納米纖維增強(qiáng)性能?！蓖ㄟ^(guò)專注于化學(xué)改造，胡良兵的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了種種神奇創(chuàng)造。“我們的改造方向有兩條，一種是讓木材盡可能致密，從而盡可能堅(jiān)固；另一種，則是令它盡可能多孔，從而形成良好的絕緣材料，并允許你調(diào)整光學(xué)屬性……你幾乎可以做任何事情?！?/p>

為了強(qiáng)化木材，使用氫氧化鈉（2.5 mol/L）和亞硫酸鈉（0.4 mol/L）的混合物處理木材7小時(shí)，將其中的木質(zhì)素和半纖維素去除，然后在100℃下熱壓大約一天。這能破壞木材膜的細(xì)胞壁，壓縮它們并排列纖維素納米纖維，從而令木材的厚度減少80%。胡良兵說(shuō)道：“這種特制超級(jí)木材的強(qiáng)度甚至好過(guò)鋼，而重量又只有后者的1/6。你要想折斷它，那絕對(duì)難比登天?！?/p>

木材的用途不只有承重。2018年，胡良兵發(fā)表一篇論文，介紹了木材用作低成本、輕型防彈衣的可能性。根據(jù)論文說(shuō)法，他們?cè)谙蛑旅堋澳炯住卑l(fā)射一顆子彈后，發(fā)現(xiàn)它不僅產(chǎn)生了一個(gè)比天然木材小得多的彈孔，還能夠吸收10倍于天然木材的動(dòng)能。

“增密”木材的影響更為深遠(yuǎn)。胡良兵表示：“我們追求脫碳。最好的一種方式就是種更多樹，砍更少樹。如果你砍下的木材能保存非常久，那就等于它可以作為二氧化碳的貯存容器，能幫我們固碳非常久。木材被致密化后，不僅更堅(jiān)固，也更耐白蟻、更耐水，降解時(shí)間也更長(zhǎng)。它可以代替鋼材和混凝土。我們不妨算算賬，生產(chǎn)每千克鋼鐵需要排放二氧化碳約1.85千克，而木材呢，0.05千克足矣。從本質(zhì)上講，樹木是巨大的二氧化碳儲(chǔ)庫(kù)。以可持續(xù)的方式改造、使用木材，將其用作鋼鐵的可再生替代品，會(huì)讓我們的環(huán)境收益良多。

木棉淡海

前文提到的另一條方向——多孔化方向——是怎么樣的呢？將軟木以沸水煮之，然后浸泡在特定溶液內(nèi)，冷凍，再冷凍干燥。經(jīng)過(guò)這些處理，木材細(xì)胞壁里的木質(zhì)素和半纖維素變薄，羰基和碳氧鍵伸展，但沒(méi)有被破壞。它們釋放出纖維素原纖維，在木材的弱化細(xì)胞之間形成凝膠，這些弱化細(xì)胞已經(jīng)轉(zhuǎn)變成了蜂巢網(wǎng)格。

結(jié)果如何呢？柔軟的木材即使以70%的幅度壓縮超過(guò)10 000次，也仍能保持彈性且無(wú)疲勞跡象。此外，納米原纖維會(huì)產(chǎn)生通道，從而實(shí)現(xiàn)離子導(dǎo)電。2021年，胡良兵團(tuán)隊(duì)將原纖維浸泡于銅堿溶液，后又浸泡于電解質(zhì)中以添加鋰離子。最終用它制成的電池性能比基于聚合物的電解質(zhì)好了幾十上百倍。

如胡良兵所言，木材的光學(xué)特性也可通過(guò)簡(jiǎn)單改變細(xì)胞壁來(lái)調(diào)整。他說(shuō)道：“木頭看起來(lái)是白色的，但在紅外線下是完全黑色的。如果你把它用作屋頂，房子最多可降溫10℃。這是一種優(yōu)異的隔熱工具?！焙急热松踔灵_發(fā)了透明木材，允許大約92%的光線通過(guò)。

胡良兵的馬里蘭大學(xué)團(tuán)隊(duì)不僅僅致力于極限改造，也喜歡巧用大自然已經(jīng)賦予木材的特長(zhǎng)?！安煌愋偷哪静目梢栽雒艹尚阅芟嗤慕ㄖ牧希覀儾粦?yīng)忽略它們的不同。有時(shí)候，不同樹木的不同微觀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)科學(xué)家的排列組合與靈活應(yīng)用，能展現(xiàn)神奇功用?！焙急剿髂芊駥⒛静牡慕Y(jié)構(gòu)用于海水淡化?！昂Ｋ囊粋€(gè)主要問(wèn)題是，當(dāng)你用設(shè)備收集蒸汽時(shí)，設(shè)備表面也會(huì)接收大量鹽分，這對(duì)于普通機(jī)器來(lái)說(shuō)是致命的。但是樹木呢？它們每天都在做這種事情，對(duì)吧？”此言不假，樹木簡(jiǎn)直就是活著的抽水機(jī)，而且其樹干中既有大通道也有小通道?！澳阒灰_地切割木頭，就可確保它被太陽(yáng)輻射加熱，內(nèi)部液態(tài)水變成水蒸氣，然后收集它，而鹽分則留在木頭里。通常，木材膜會(huì)開始積聚鹽分，但因?yàn)樗鼈冇写笸ǖ?，故鹽分最終能回到海洋?！?/p>

研究的挑戰(zhàn)在于如何將樹木里的海水淡化奇跡形成工業(yè)化的規(guī)模應(yīng)用?！盎A(chǔ)設(shè)施已經(jīng)到位。仍有待解決的問(wèn)題是化學(xué)物質(zhì)該怎樣擴(kuò)散到結(jié)構(gòu)中。它有一個(gè)濃度梯度。如果你有足夠時(shí)間處理中心的木材，表面的纖維會(huì)損壞。這是目前的一個(gè)主要障礙。”

樹維打印

以色列耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的多倫·凱姆（Doron Kam）以一種很獨(dú)特的視角看待木材?！耙陨谢揪褪莻€(gè)沙漠國(guó)家，我們幾乎沒(méi)有森林！木材是一種神奇的材料。它能承受紫外線輻射和溫度變化。人類砍伐樹木，將它們砍成更小的碎片，然后又把它們粘在一起。所以我開始思考一個(gè)問(wèn)題：我們能像大自然一樣，用自下而上的方法創(chuàng)建木材嗎？”

凱姆開始研究纖維素納米晶體。此類材料能夠自組裝成手性膽甾相液晶，具備很大的應(yīng)用潛力，例如用于研發(fā)防偽紙或無(wú)反射鏡激光，科學(xué)界針對(duì)它們的探究工作早已展開。值得一提的是，這些納米晶體很容易通過(guò)木纖維的簡(jiǎn)單水解來(lái)制造。凱姆表示：“水解的最終結(jié)果是長(zhǎng)約100～150納米、直徑約3納米的小晶須處于水懸浮液中，形成一個(gè)膠體系統(tǒng)。而且，由于它們是納米級(jí)的東西，我們認(rèn)為它們會(huì)是一種很好的樹脂。”

通過(guò)將精細(xì)粉碎的木粉（顯微可見(jiàn)的木纖維）分散于纖維素納米晶體和木葡聚糖（一種存在于細(xì)胞壁中的半纖維素）中，凱姆團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了木材的3D打印，同時(shí)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?！拔覀冮_始打印各種物體。這是一個(gè)好的開端?！?/p>

凱姆等人開始打印簡(jiǎn)單的東西：用兩種不同類型木材組合成的棋盤、花格窗、木制螺母和螺栓。而這僅僅是開始。凱姆如此說(shuō)道：“一棵樹被砍倒后，水分從原木中蒸發(fā)，不同的樹紋呈圓柱形不對(duì)稱，這種取向差異會(huì)導(dǎo)致木材翹曲。我們就想，能不能人為模仿樹木的這套結(jié)構(gòu)機(jī)理，了解并嘗試控制木材的翹曲?！憋@然，他們?nèi)粽婺苷莆者@里頭的訣竅，肯定也能更好地掌控木材3D打印，制作出任何他們想要的形狀的多功能木結(jié)構(gòu)。另外，由于木粉是建筑廢棄物，他們的項(xiàng)目也是綠色化學(xué)典范。

但凱姆也承認(rèn)，他們的成果存在缺陷?！拔覀兊南到y(tǒng)非?；靵y，系統(tǒng)成分是多分散的，就像在自然界中那樣，因?yàn)槟痉劬哂懈鞣N各樣的形狀和尺寸，變化范圍有幾十微米，甚至其纖維素納米晶體的尺寸也可相差幾十納米。現(xiàn)在，我們可以展示自己對(duì)不同現(xiàn)象的理解，可以對(duì)其建模，可以創(chuàng)建這些對(duì)象。我們專注于基本問(wèn)題，而不只是應(yīng)用?！?/p>

要將新技術(shù)推向市場(chǎng)，還需解決另一個(gè)問(wèn)題。目前，此類印刷品很容易受到水的損害，即便短時(shí)間暴露，也可能失去強(qiáng)度。凱姆指出：“如果不加入任何合成材料，怕水就是它的最大弱點(diǎn)?，F(xiàn)階段，我們不知道怎樣在無(wú)合成樹脂的情況下讓木基生物聚合物很好地交聯(lián)。人們正試圖通過(guò)壓縮木制品來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，此外許多團(tuán)隊(duì)正研究不同的酶?！?/p>

木材科學(xué)目前仍有障礙需要清除。但只要問(wèn)題解決了，木材將以超乎想象的方式讓我們驚嘆。對(duì)于胡良兵來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)加快推進(jìn)木材科學(xué)?！笆澜鐚⑿枰嗖牧?，而好消息是木頭全世界到處都是——你可以使用當(dāng)?shù)氐馁Y源，并在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行加工，然后就開始解決供應(yīng)鏈中的全球材料短缺問(wèn)題?！?/p>

羅威爾表示：“木材行業(yè)歷史悠久，多數(shù)從業(yè)者的父輩祖輩就是鋸木廠工人。我們有了一些新技術(shù)，但人們還是因循守舊，很難讓老派的木材從業(yè)者改變想法，或提出不一樣的新想法。木材相關(guān)的納米技術(shù)已發(fā)展20年，但我們還未真正將其付諸實(shí)踐。我們需要改變心態(tài)，需要認(rèn)識(shí)到木材的潛力，我們未來(lái)的材料和化學(xué)品都將發(fā)源于它?！?/p>

資料來(lái)源 Chemistry World

本文作者基特 · 查普曼（Kit Chapman）是英國(guó)法爾茅斯的科學(xué)作家和科學(xué)記者