他們用造紙的原理，造出了比不鏽鋼還硬的木刀_風聞

人類對木材的使用有着悠久的歷史，然而因為木頭塑性較差的缺點，進入現代社會後，許多原本要用到木材的場合被金屬和塑料取代。但由於木材的環保優勢，不少材料學家依然致力於發展這種材料。現在，他們已經成功解決了木材的塑性問題，也將木材的硬度提升到新的高度。在未來，木材有望取代金屬和塑料，再度成為最常用的材料嗎？

撰文 | 白德凡

審校 | 十米

圖片來源：Pixabay

到城市街頭環顧一圈，你能發現多少木頭做的東西？

你或許會看到不少樹木，卻沒那麼容易找到由這些樹木加工而來的東西：高樓大廈是鋼筋混凝土做的；街上奔跑的汽車，外殼是金屬做的，輪胎是橡膠做的；廣告牌、海報橫幅通常是塑料做的；欄杆和街燈燈柱也是金屬做的……或許日常最常見的木製品，只有擺在家裏的傢俱了。一旦出了門，你或許只能在公園的景觀建築中找到木製品的影子。

這樣的情景讓我們全然想象不到，其實木材是人類使用歷史最悠久的材料之一。原始人類靠着木頭髮展起了生火技術，中國古代的絕大部分建築和車輛也是木構的，在當時的城市街頭找到一件木製品實在是再簡單不過了。那麼為什麼木頭在今天的使用範圍遠不及其他材料了呢？

一個重要原因是木頭的塑性太差了。要想改變一塊木頭的形狀，基本上只能靠切割、雕刻，遠不及金屬和塑料通過加熱塑形來得方便。因此在金屬開採、加工技術，以及聚合物合成技術進步以後，許多需要加工出複雜形狀的場合就告別木材了。

然而木頭有一個不可替代的優勢：環境友好。木材是可再生的，而且它的生產加工過程不會對環境產生大規模污染，這在今天地球環境變化的背景下顯得尤其有價值。相比之下，塑料難以降解，它的原料石油又是不可再生資源；而金屬的開採、加工過程需要消耗大量能源， 伴隨着大量污染的產生。因此，不少材料學家重新把目光投向木材，希望將它發展成金屬和塑料的替代品。不過要實現這一點，頭一個要解決的問題是，如何讓木頭變得可塑呢？

木頭為什麼這麼“僵硬”

要想讓木頭變得可塑，我們先要明白木頭為什麼這麼“僵硬”。植物的微觀結構可以給出線索。

植物的細胞包裹在細胞壁中，細胞壁主要由纖維素（cellulose）、半纖維素和其他多糖組成，而它們之間的空隙被木質素（lignin）填充。在植物的木質部（也就是可以稱作“木頭”的部分）中，細胞壁會經歷木質化過程，其中的木質素沉積下來，增加了細胞壁的厚度，使得木質部獲得較高的機械強度，足以支撐起整個植株。可以説，木質素就是木頭的“骨架”，它使得木頭機械強度高到可以做房梁和柱子，卻也使木頭失去了塑性，不容易發生形變。

植物的微觀結構示意圖。丨圖片來源：Potters, G., et al., (2010) Promising Biofuel Resources: Lignocellulose and Algae. Nature Education 3(9):14

因此要想讓木頭變柔軟，第一步便是去除木質素。這個道理古人早就明白了，而且運用到一項我們熟悉的工藝中：造紙。無論是手工造紙還是工業造紙，拿到稻草、蘆葦杆、木屑這些原料後，一般都要用化學方法去除其中的木質素，得到以纖維素為主的紙漿，再進行後續加工。這種脱木質素過程（delignification）是改造木材的一種常用方法。

木頭加工成紙張之後，形狀可以輕易改變了，卻也失去了機械強度，無法承受大重量的衝壓、拉扯，這使得紙張基本只能用於印刷和簡單的包裝。想要讓木頭獲得更廣的應用，我們需要思考：能不能找到一種方法，在不損失機械強度的前提下，讓木頭可以像紙一樣摺疊？

可以塑形的木頭

上週發表於《科學》（Science）雜誌的一項研究認真探索了這個問題，來自美國馬里蘭大學的研究人員把造紙的第一步用到了天然木材的處理上。

但與造紙不同的是，首先，木材並沒有被打碎成木漿，研究人員處理的是一塊約3毫米厚的薄木板（作為對比，一張A4紙的厚度約為0.1毫米）；其次，脱木質素過程並沒有把全部的木質素去除，而是去除了大約55%的木質素和67%的半纖維素。經過脱木質素過程和烘乾處理後，研究人員得到了一塊“壓縮木頭”。由於失去了木質素的支持作用，木頭中的維管和纖維結構坍縮擠壓在一起，木頭變得緻密，依然僵硬、無法彎折。

接下來研究人員將壓縮木頭浸入水中約3分鐘。經歷了這個被稱為“沖水”（water-shock）的過程之後，壓縮木頭中的纖維結構依然是坍縮的，但維管結構重新打開了，讓木頭在微觀上有了空隙，也就有了形變的空間。這樣處理過後，研究人員得到了可以塑形的木頭。這種木頭可以多次對摺而不斷裂，這意味着它可以像紙一樣摺疊成複雜的形狀。而摺疊成想要的形狀後，只要在室温下晾乾，可塑木頭的形狀就固定下來了。

從左到右依次為天然木材、壓縮木材、經過沖水後的可塑木材及其微觀結構示意圖。經過沖水處理後，木材的維管結構重新打開，使得木材可以摺疊。丨圖片來源：Xiao et al., Science 374, 2021:465–471

晾乾後的木頭比天然木頭擁有更高的機械強度。據研究人員測量，這種可塑木頭沿木纖維方向的抗拉強度約為300兆帕，抗壓強度約為60兆帕，分別是天然木材的6倍和2倍。而且由於密度較低，可塑木頭的比抗拉強度（抗拉強度與密度之比）大約是常用的5052鋁合金板的5倍。這意味着，在機械強度相同的情況下，用可塑木頭做的結構要比鋁合金做的輕得多。

研究人員將可塑木頭摺疊成鋸齒狀、螺旋狀、星形等複雜形狀，其中一種蜂窩狀結構成功承受住了一輛小轎車的重量。丨圖片來源：Xiao et al., Science 374, 2021:465–471

可以切肉的木頭

經過脱木質素處理的木頭顯現出如此巨大的潛力，既可以輕易改變形狀，又擁有優良的機械強度。解決木頭塑性的問題的同時，研究人員也很好奇，最終成型的木材可以擁有多麼高的硬度？在稍早一些發表在《物質》（Matter）雜誌的一項研究中，來自相同科研單位的研究人員探索了木頭的硬度極限。

研究人員依然先對天然木材進行脱木質素處理，得到以纖維素為主的樣品。之後用熱壓機在室温和20兆帕的壓力下對樣品進行壓縮，再加熱到105℃進行烘乾。最後一步，將樣品浸入食品級油中48小時，使木材表面獲得防水性。經過這樣處理後，研究人員得到了“硬化木頭”的樣品。

這種硬化木頭的硬度有多高呢？研究人員用硬化木頭樣品做了兩把木刀，一把的木纖維走向與刀刃平行，另一把木纖維走向與刀刃垂直。掃描電子顯微鏡成像顯示，兩種木刀都比普通鋼製餐刀鋒利得多。經研究人員演示，這種硬化木刀可以輕易切開半熟的牛排。

除了木刀外，研究人還用硬化木頭製作了木釘。經拋光處理的硬化木釘可以將三塊木板釘在一起，鋒利程度可以與商用鋼釘匹敵，並且不易生鏽。除了木刀和木釘外，硬化木頭還可以用來製造地板和傢俱，更高的硬度使得這些產品更耐刮擦和磨損。

研究人員演示用硬化木釘釘木板丨圖片來源：Bo Chen

無論可塑木頭還是硬化木頭，對加工條件的要求都非常容易滿足。其中的脱木質素處理在造紙廠中很常見，後續的乾燥、沖水或壓縮處理也相對容易實現，不像金屬的加工過程，經常需要達到上千度的高温。這大大節約了生產過程中的能耗，也降低了這些新型木材投入量產的門檻。而且木頭原料極易獲取、成本低廉，如果這些木材廣泛取代金屬和塑料，我們有望以更低的價格買到各種生活用品。

馬里蘭大學材料學家的這兩項研究，為可持續發展貢獻了新的材料。或許未來某一天，我們在城市街頭會看到木製品取代了塑料和金屬：汽車的外殼換成了更輕薄、堅硬的木頭，街燈燈柱是木頭製成的，和旁邊的樹木融為一體……不過，今天的研究只是解決了木頭塑性和硬度的問題，要想讓木製品大規模投產使用，還有更多問題有待解決：怎樣防止木頭長真菌、生蟲？木製品的防火性如何保障？我們期待未來的研究逐步解決這些問題，讓木頭這種古老的材料，再次改變我們生活的面貌。

論文鏈接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg9556

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00465-3

本文經授權轉載自微信公眾號“環球科學”。