木材一直是被廣泛使用的一種結構材料，但天然實木受制於大尺寸材料的稀有性和力學的各向異性，因此目前廣泛使用的工程木材料主要是人造板。人造板領域市場規模巨大，我國人造板年產量超過3.25億立方米，市場規模近萬億元。傳統人造板主要通過含有甲醛的樹脂等粘合劑將木屑等生物質原料粘結起來，這不僅提高了人造板的成本，還會在使用過程中持續釋放甲醛等有毒有害的氣體，有害使用者的身體健康。因此，發展高性能無甲醛綠色環保板材對傳統人造板產業升級發展至關重要。
近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊通過深入解析生物質微觀結構，提出了一種利用生物質天然納米結構的全新的生物質表面納米化策略，基於這種策略構築了一種可持續新型各向同性仿生木材（「RGI-wood」）。該策略巧妙地利用了木屑等生物質中天然的纖維素納米纖維，將其暴露在木屑顆粒表面，並使其互相交聯從而構築無需任何粘合劑的高性能人造木材（圖1）。相關研究成果於12月12日以「Regenerated isotropic wood」為題發表在《國家科學評論》National Science Review上。
圖1.基於自下而上微米/納米結構設計製備各向同性木材（RGI-wood）的示意圖。（a）天然木屑圖片；（b）表面蝕刻後的木屑顆粒；（c）表面納米化的木屑（SNWP）結構示意圖；（d）Ca2+和氫鍵誘導的SNWP的組裝過程；（e）通過熱壓製備RGI-wood。
圖2.各向同性仿生木材與天然木材的性能對比。（a）彎曲強度對比；（b）壓縮強度對比；（c）各向同性仿生木材具有遠超常用聚合物材料的強度和模量；（d）與天然木材的燃燒熱釋放率對比；（e）與天然木材的燃燒失重對比；（f）與天然木材的燃燒發煙量對比。
運用這種策略所製備的人造木材在各方向上具有相同的力學強度，且超越了實木材和傳統人造板。這種新型人造木材自下而上的製備方式使其在尺寸上將不受限制，可以克服大塊實木材料的稀缺性，大大拓寬了這類木質材料的應用範圍。另外，其還表現出優異的阻燃性性和防水性。在這種高性能人造木材中，微米級木屑顆粒的暴露著大量的納米尺度的纖維素纖維，這些納米纖維通過離子鍵、氫鍵、範德華力以及物理糾纏等相互作用結合在一起，微米級的木屑顆粒也被這些互相纏繞的納米纖維網絡緊密地結合一起形成高強度的緻密結構，而無需添加任何粘結劑。這種結構特徵帶來了高達170 MPa的各向同性抗彎強度和約10 GPa的彎曲模量，遠超天然實木的力學強度。此外，新型人造木材還顯示出優異的斷裂韌性，極限抗壓強度，硬度，抗衝擊性，尺寸穩定性以及優於天然木材的阻燃性。作為一種全生物基的環保材料，新型人造木材不僅不含任何粘結劑，還具有遠超樹脂基材料和傳統塑料的力學性能，因此具有非常廣泛的應用前景。
此外，這種由納米纖維構成的網絡也為製備木基納米複合材料提供了一種新途徑。通過將碳納米管（CNT）摻入木屑顆粒間的納米網絡當中，可以獲得導電智能人造木材，因碳納米管能夠在其中形成連續的三維網絡，因此其具有比傳統聚合物/碳納米管複合材料更好的導電網絡和更高電導率。基於這種智能人造木材的高導電性，它可以實現傳感、自發熱以及電磁屏蔽等多種應用。這種智能人造木材表現出了出色的電磁屏蔽性能（X波段超過90 dB），可以滿足精密電子儀器屏蔽標準的要求。這種智能人造木材還可以在1.75 V低電壓下（約等於兩節五號電池的電壓）實現自發熱，可在5分鐘內升至60攝氏度，這種在低電壓下即可自發熱木材可有效地確保自加熱設備的安全性，同時減少能耗。
這項研究提出了一種生物質顆粒表面納米化方法和策略，可用於構築全生物質，不含任何粘結劑，具有優異的力學性能，可複合的新型人造木材。同時，這種全新的生物質表面納米化策略也可以擴展到其他生物質（例如，樹葉、稻草和秸稈等），並可以實現多功能化，有望用於製造一系列綠色全生物質的可持續結構材料，將進一步推動人造板行業向綠色、環保和低碳方向發展。
這項研究受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創新中心、合肥綜合性國家科學中心等資助。
論文連結：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa230
（合肥微尺度物質科學國家研究中心、化學與材料科學學院、科研部）