木材是可再生的，其生產(chǎn)和加工不會對環(huán)境造成大規(guī)模污染，在當今全球環(huán)境變化的背景下顯得尤為有價值。因此，許多材料科學家再次轉向木材，希望將其開發(fā)為金屬和塑料的替代品。但要實現(xiàn)這一目標，木材必須首先具有可塑性。

木質素就像樹的“骨架”。

為了把木頭變成塑料，我們首先要了解木頭為什么這么“硬”。植物的微觀結構可能提供線索。

植物細胞被主要由纖維素、半纖維素等多糖組成的細胞壁包圍，細胞壁之間的間隙充滿木質素。在植物的木質部中，細胞壁經(jīng)歷木質化過程，其中木質素沉積，增加細胞壁厚度并使木質部獲得高機械強度，足以支撐整個植物。木質素堪稱木材的“骨架”，它不僅提供了木材用作梁、柱的機械強度，而且使木材不易失去可塑性而變形。

要軟化木材，第一步是去除木質素。古人很早就明白了這個原理，并將其運用到了我們熟悉的工藝中：造紙術。獲得秸稈、蘆葦桿、鋸末等原料后，通常采用化學方法脫除木質素，得到纖維素基紙漿，然后進行加工。這種脫木素過程是改性木材的常用方法。

將木材加工成紙更容易改變其形狀，但也失去了機械強度，無法承受重擊或拉扯。有沒有一種方法可以像紙一樣折疊木頭而不失去其機械強度？

處理過的木材具有更高的機械強度

在最近發(fā)表在期刊《科學》 上的一項研究中，馬里蘭大學的研究人員使用天然木材作為造紙的第一步。

然而，與造紙不同的是，首先，木材沒有被搗碎成木漿；研究人員使用的是約3毫米厚的薄木板；木質素處理僅去除了約55%的木質素和67%的半纖維素。經(jīng)過脫木素和干燥后，研究人員獲得了壓縮木材。當木質素支撐消失時，木材內的維管束和纖維結構就會塌陷并被壓碎，使木材變得更致密，但仍然僵硬且無法彎曲。

然后研究人員將壓縮木材浸泡在水中約三分鐘。經(jīng)過這個過程后，壓縮木材的纖維結構仍然塌陷，但維管結構重新打開，為木材提供了微觀間隙和變形空間，使研究人員能夠制造出可塑的木材。我明白了。木材無論彎曲多少次都不會斷裂，因此可以像紙一樣折疊成復雜的形狀。折疊成所需形狀后，只要在室溫下干燥，塑木的形狀就會保持固定。

干燥木材比天然木材具有更高的機械強度。據(jù)研究人員測量，這種塑木沿木纖維方向的拉伸強度約為300兆帕，壓縮強度約為60兆帕，分別是天然木材的六倍和兩倍。此外，由于其密度較低，塑木制成的結構比具有相同機械強度的鋁合金制成的結構輕得多。

研究人員在解決木材可塑性問題的同時，他們也對最終木材的硬度感興趣。在期刊《物質》 上發(fā)表的一項早期研究中，同一科學研究所的研究人員調查了木材硬度的極限。

研究人員還首先對天然木材進行脫木素，以獲得以纖維素為主的樣品。然后使用熱壓機在室溫和20 MPa的壓力下對樣品進行壓縮，然后加熱至105進行干燥。最后將樣品浸泡在食品級油中48小時，使木材表面防水。經(jīng)過這種處理后，研究人員獲得了硬化木材的樣本。

研究人員使用硬化木材樣品制作了兩把木刀，一把木纖維與刀片平行，另一把木纖維與刀片垂直。我做到了。使用掃描電子顯微鏡進行圖像檢查表明，這兩種木刀都比普通鋼制餐刀鋒利得多。研究人員證明，這種硬化木刀可以輕松切三分熟的牛排。

研究人員還用硬化木材制作了木釘。經(jīng)過拋光和硬化的木釘最多可以釘三塊木板，與市售鋼釘一樣鋒利，并且防銹。

（白德凡《環(huán)球科學》）

來源：科技日報