新策略讓木材薄膜兼具高強度和高韌性

近日，東北林業大學甘文濤教授首次提出通過兩相納米結構調控，將天然輕木轉化為一種兼具高強度和高韌性的木材薄膜，并揭示了其力學增強機理，為木材保護與功能改良提供了新理論。相關成果發表在《科學進展》。

構建晶態-非晶態復合結構是解決材料高強度與高韌性之間的內在沖突的有效途徑。然而，構建晶態-非晶態界面仍面臨化學不兼容和操作能耗高等諸多挑戰。自然界中，如蜘蛛絲和珍珠貝等材料展現的晶態-非晶態結構，以其卓越的機械性能為人工材料設計提供了啟發。木材具有天然的結晶-無定形兩相結構，為通過調整三大素組分提升其機械性能提供了途徑。然而，木材中組分間的相互作用機制復雜，且現存力學增強方法在能源消耗和環境友好性方面仍存在局限性。因此，開發高效、環保的木材增強技術，研究其力學失效原理，對開發高性能木質功能材料具有重要意義。

本研究中，團隊提出了一種簡便易行的兩相結構調控策略，旨在選擇性去除木材細胞壁中的無定形木質素和部分半纖維素，保留高結晶度的纖維素結構，同步實現纖維素微纖維的潤脹和納米纖維的預解離。借助大氣干燥過程中水分子蒸發產生的彈性毛細管力促使纖維素納米纖維重新排列聚集，增強了其橫向鍵合作用，從而形成了高結晶度的致密化木材薄膜。改良木材的抗拉強度高達530.89 ± 17.60 MPa，并表現出優異的可折疊性。粗粒化分子動力學模擬揭示了木材細胞壁內晶態和非晶態區域在變形過程中的潛在運動機制和木材薄膜在張力作用下的破壞行為。

生命周期評價結果顯示，這種基于木材細胞壁組分的兩相納米結構調控策略，展示了環境友好性和低碳特點，為木材細胞壁精細結構調控和高性能木質功能材料開發提供了基礎。

相關論文信息：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.ado5142