​中科大俞書宏院士:嶄露頭角的仿生人工木材

木材——源於樹木,作為一種豐富的自然資源,從原始的建築材料到現代的高附加值工程材料,已發展瞭數千年。木材具有獨特的精密微結構和優異性能(如低密度、高強高韌、可再生可循環性),同時也啟發研究人員創造出各種仿木頭材料。鑒於此,中國科學技術大學俞書宏院士團隊系統性地闡述瞭仿生人工木材的概念,並對其機理、調控和應用,做瞭深入的討論和展望。相關工作發表在Advanced Materials, 2020, DOI: 10.1002/adma.202001086.

1. 天然木材的結構

木材內部具有數十微米的取向孔道,使木材具有高孔隙率和低密度,同時有助於提高機械強度,特別是在平行於孔道的方向上。孔壁在機械性能中也起著關鍵作用,其主要由化學交聯的無定形多酚聚合物(即木質素)組成,賦予瞭木材剛性。

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圖1 天然木材從宏觀到微觀的多級結構。

2. 設計原則與材料選擇

人工木材的制備包括兩個要點,孔道和孔壁。取向孔道完全可以通過冷凍鑄造得到,但是現有的聚合物仿木材的強度卻遠遠達不到天然木材的強度,究其原因是線性聚合物分子網絡的本征強度不高。基於此設計原則,俞書宏院士團隊在2018年研發出強度堪比天然木材的人工木材(抗壓強度高達45MPa),該人工木材以剛性聚合物酚醛樹脂、密胺樹脂為基體材料,同時兼具防火隔熱與耐腐蝕等優異性能。相關工作見Science Advances 2018, 4, eaat7223。

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3. 孔道和孔壁的調控

通過控制初始冷凍溫度、冷凍速率與基體材料的濃度,研究人員可以輕易控制孔徑的大小,以及孔壁的厚度,以實現不同應用場景的需求。

​中科大俞書宏院士:嶄露頭角的仿生人工木材

4. 性能與應用

由於在微觀結構設計和化學成分選擇方面存在無限的可能性,因此人造木材有望為我們帶來諸多可能的應用,如輕質高強材料、物質定向運輸、隔熱防火等。

​中科大俞書宏院士:嶄露頭角的仿生人工木材

5. 結論與展望

為瞭復刻木材的微觀結構並獲得令人滿意的機械性能,設計時應同時考慮孔道和孔壁。通過凍結澆鑄構築孔道已是最常用技術,因此孔壁應引起更多關註。孔壁是具有剛性鏈段的高度化學交聯的聚合物網絡,在決定人造木材的機械性能和其他物理性能方面起著重要作用。

然而,由於目前聚合物基體材料的選擇非常有限,因此迫切需要開發更好的方法來有效地將聚合物與孔道構築結合起來。此外,還需要具有剛性鏈段的可生物降解或可回收的聚合物。此外,針對冷凍鑄造,由於能耗與效率較低,如何實現工業化生產,還有很長的路要走。

從基體材料來看,大多數工程聚合物基本上都是化石燃料衍生的塑料,天然情況下難以降解,會對環境產生惡劣的影響。尋找環保材料勢在必行。有兩種方法可以實現最終目標(具有良好機械性能、完全可生物降解的人造木材)。

首先,從生物質材料開始,利用新穎的技術將這些靈活的生物分子組裝成堅固的人造木材;或者,將工程聚合物改性為可生物降解或可回收的聚合物,但不以顯著犧牲機械性能為代價。目前,第二個最佳選擇似乎更為可行,因為已證明某些熱固性聚合物可回收,即所謂的“Vitrimers”。

人造木材正慢慢嶄露頭角,基於生物材料或可循環工程聚合物的人造木材,或許能在未來大放異彩,躋身新型高性能仿生工程材料的大傢族之列。

文獻鏈接:

  1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001086
  2. https://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat7223

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