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

木質(zhì)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(jié)構(gòu)可能提供線索。

植物細(xì)胞被主要由纖維素、半纖維素等多糖組成的細(xì)胞壁包圍，細(xì)胞壁之間的間隙充滿木質(zhì)素。在植物的木質(zhì)部中，細(xì)胞壁經(jīng)歷木質(zhì)化過程，其中木質(zhì)素沉積，增加細(xì)胞壁厚度并使木質(zhì)部獲得高機(jī)械強(qiáng)度，足以支撐整個(gè)植物。木質(zhì)素堪稱木材的“骨架”，它不僅提供了木材用作梁、柱的機(jī)械強(qiáng)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(zhì)素。古人很早就明白了這個(gè)原理，并將其運(yùn)用到了我們熟悉的工藝中：造紙術(shù)。獲得秸稈、蘆葦桿、鋸末等原料后，通常采用化學(xué)方法脫除木質(zhì)素，得到纖維素基紙漿，然后進(jìn)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(jī)械強(qiáng)度，無法承受重?fù)艋蚶�扯。有沒有一種方法可以像紙一樣折疊木頭而不失去其機(jī)械強(qiáng)度？

處理過的木材具有更高的機(jī)械強(qiáng)度

在最近發(fā)表在期刊《科學(xué)》 上的一項(xiàng)研究中，馬里蘭大學(xué)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(zhì)素處理僅去除了約55%的木質(zhì)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(dāng)木質(zhì)素支撐消失時(shí)，木材內(nèi)的維管束和纖維結(jié)構(gòu)就會(huì)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(gè)過程后，壓縮木材的纖維結(jié)構(gòu)仍然塌陷，但維管結(jié)構(gòu)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(huì)斷裂，因此可以像紙一樣折疊成復(fù)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(huì)保持固定。

干燥木材比天然木材具有更高的機(jī)械強(qiáng)度。據(jù)研究人員測(cè)量，這種塑木沿木纖維方向的拉伸強(qiáng)度約為300兆帕，壓縮強(qiáng)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(jié)構(gòu)比具有相同機(jī)械強(qiáng)度的鋁合金制成的結(jié)構(gòu)輕得多。

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

研究人員還首先對(duì)天然木材進(jìn)行脫木素，以獲得以纖維素為主的樣品。然后使用熱壓機(jī)在室溫和20 MPa的壓力下對(duì)樣品進(jìn)行壓縮，然后加熱至105進(jìn)行干燥。最后將樣品浸泡在食品級(jí)油中48小時(shí)，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。使用掃描電子顯微鏡進(jìn)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(xué)》）

來源：科技日?qǐng)?bào)