南京林业大学周晓燕教授团队《ACS Nano》：高强度木材的可塑加工新进展

  刚度可调的材料能够准确的通过特定的刺激（如温度，湿度）改变其形状和机械性能，在先进的工程领域具备比较好的应用前景，但仍受限于石油基单体的使用和机械强度低等问题。木材作为一种可再生、来源广泛的生物质材料，其次生壁S2层微纤丝天然取向结构为开发高强度木材提供了独特优势。

  为了充分的利用木材的结构优势，南京林业大学周晓燕教授团队报道了一种可持续且简单的溶剂加工策略，将天然木材制备成具备优秀能力力学性能和可塑性的异型木材。通过采用低表面张力、低粘度的润湿试剂填充并覆盖木材的粗糙结构，以此来降低软化试剂向木材内部渗透的界面阻力，以此来实现木材的均匀软化。在此基础上，利用水分蒸发产生的毛细力诱导定向微纤丝自发聚集，并通过周期性的保水和脱水同步实现木材形状的可加工性和刚度的可调节性（图1）。异型木材的纵向抗拉强度和横向抗拉强度分别达到557.59 ± 31.57 MPa，105.76 ± 13.63 MPa，比强度甚至超过一些金属及合金材料。此外，经过10次变形循环后，异型木材的抗拉强度和抗折强度仅下降7.7%（抗拉强度）和10.1%（抗弯强度），证明了其出色的循环使用稳定性。通过形状设计，重量仅为3.51 g的异型木材能够支撑三个体重均为70 kg的成年人的重量，其抗压强度能够达到5.04 MPa。这种优异的承载力和出色的抗疲劳性的融合，拓宽了异型木材在工程领域的应用潜力。

  XRD和2D-WAXS结果分析表明水分蒸发产生的毛细力可以诱导细胞壁的密实化收缩，并实现细胞壁微纤丝的自发聚集，这种致密堆积结构大大减小了缺陷数量和应力集中点。此外，异型木材细胞壁上的纳米纤维在水分蒸发过程中能保持高度排列，纳米纤维晶体的取向系数能够达到0.88，这明显地增加了纤维之间的界面相互作用，因此，异型木材的抗拉强度大幅度的提升。分子动力学研究根据结果得出，纤维的拔出过程涉及相邻纤维之间的界面粘滑，由于纤维素分子链中富有丰富的羟基，纤维层间剪切变形导致较大的剪切应变，因此，可以破坏层间氢键网络。在剪切变形过程中纤维的粘滑行为增加了能量耗散点。在本研究中，蒽醌的氧化作用可以将纤维素还原端基氧化成稳定羧酸，因此能减缓纤维素的剥皮反应进程并维持纤维素较高的聚合度。纤维素分子链长度的增加提高了纤维的界面粘滑位移，这一过程涉及大量氢键形成、断裂和重组。相较于较短的纤维素分子链长度，异型木材形成的氢键密度大幅度提升，这导致破坏层间氢键网络所需的能量显著增多，因此，异型木材的抗拉强度和韧性显著提升（图2）。

  溶剂加工策略能够完全满足不同种类木材的密实化过程，提供了一种通用的强化策略。这一过程是通过周期性的保水变形和失水定型实现（图3）。在高湿度条件下，异型木材水分蒸发主要是以自由水为主，在这一阶段，水分子倾向于分子簇形式聚集在一起，该过程可以弱化木材纤维之间的氢键作用。因此，在高湿度条件下，水分可以充当介质，使纤维素分子链的流动性增强（塑性增加）。随着干燥过程的不断进行，与自由水相关的T2峰向左移动，峰面积减小，表明自由水的平均松弛时间缩短，总体含量慢慢地减少。此时，结合水信号强度开始明显减弱，结合水的蒸发会使纤维之间的界面相互作用由原始的纤维素-水-纤维素转化为纤维素-纤维素之间的强氢键作用，结合水的蒸发会明显提高异型木材的机械强度。

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