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木材是一种可持续的结构材料，木材产品可以通过替代碳密集型、基于化石燃料的材料以及提供额外的碳储存来帮助缓解气候变化。木材还具有机械强度、重量轻和潜在的低成本。
各种方法已被证明可以改善木材的性能和功能，以实现更广泛的应用，包括脱木素、致密化和其他修改（例如热处理、有机或无机盐浸渍等）。然而，与金属和塑料相比，其成型性通常较差，这使得将其加工成复杂的形状变得困难。
目前，对于木材“物理方法”成型，通常是在大块规模下对木材进行工程设计，不会改变内在的微观结构或材料特性，因此无法同时实现高机械强度和良好的成型性，限制了木材在先进工程领域的实际应用。
近年来，还研究了各种自下而上的方法，其中将木材分解为其组成部分，然后再制造成所需的形状和用途，然而这些方法牺牲了木材的自然层次结构和各向异性结构（即，沿茎的纵向方向延伸的高度对齐的通道和纤维），材料的大部分天然强度和功能来自于该结构。
鉴于此，来自马里兰大学的胡良兵教授团队报告了一种加工策略，该策略使用细胞壁工程将硬木平板塑造成多功能的3D结构。在分解木材的木质素成分并通过蒸发水关闭导管和纤维后，研究人员在快速水冲击过程中部分地重新膨胀木材，选择性地打开导管。
这形成了独特的皱纹细胞壁结构，允许材料折叠并成型为所需的形状。由此产生的3D成型木材比起始木材强六倍，可与广泛使用的轻质材料（如铝合金）相媲美。这种方法扩大了木材作为结构材料的潜力。相关研究成果以题为“Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material”发表在最新一期《Science》封面。

【木材加工策略】
图1A展示了木材的加工策略，研究人员首先使用常见的水基脱木素工艺从椴木的木质纤维素细胞壁中去除约55%的木质素和约67%的半纤维素。然后，在环境条件下将部分脱木质素的木材风干约30小时以除去水分并形成收缩的木材中间体（约12wt％的水含量），接下来，研究人员将收缩的木材浸入水中3分钟，该过程称为“冲击过程”。
这种可成型木材可以实现不同的形状和结构，然后可以通过空气干燥来去除剩余的水，以形成最终的3D成型木制品（图1B）。研究人员展示了用木单板（使用卷对卷旋转切割生产）制造蜂窝芯材料，其拉伸强度约为300 MPa，类似于铝合金，但密度仅为约0.75 g/cm3且成本可能更低（图1C）。
图 1. 通过部分脱木素与“水冲击”工艺相结合的皱纹细胞壁工程策略，使木材更坚固和可塑
【木材的微观结构】
湿的天然木材（图2A）和收缩的木材（图2B）不能在不折断的情况下弯曲，而可模压的木材是高度可折叠的（图2C）。这些样品中的木纤维平行于折叠方向。用这种纤维取向制成的木板可以通过旋转切割可扩展地生产，从而避免了树木原材料长度和宽度的尺寸限制。天然木材原材料具有3D分层多孔蜂窝结构，具有许多中空容器和纤维（图2D）。由于木质素和水的去除，这些开孔在收缩的木材中几乎完全闭合，形成高度致密的结构（图2E）。
然而，形成可模压木材的水冲击处理会产生独特的皱纹细胞壁结构，其中导管部分打开而纤维几乎完全闭合（图2F））。部分开放的容器在可模压木材内创造了空间，可以以类似手风琴的方式适应压缩和拉伸变形，使材料在折叠时承受剧烈的压缩和拉伸，甚至高达180°也不会开裂（图2C）。
同时，紧密堆积的封闭纤维可以提供机械支撑以增强强度。通过对比试验，表明部分打开的、起皱的细胞壁结构在使可模压木材具有机械柔韧性方面的重要性。
图 2. 天然木材、收缩木材和可成型木材的微观结构
【木材应用】
研究人员通过反复折叠可塑木片，然后干燥材料以固定刚性形式来制造锯齿形和波纹木结构（图3A、3B）。此外，研究人员可以像金属和塑料一样滚动可成型木材（图3C）并扭曲它（图3D）。干燥后出色的可折叠性和出色的稳定性使研究人员能够设计和制造复杂的3D结构，例如星形（图3E））。
其他形状包括使用自制模具来模制材料的波纹结构（25厘米x12厘米x0.12厘米）（图3F）。SEM形态研究揭示了所得3D成型木材的致密和整体结构。即使在100次折叠和展开循环之后，研究人员也没有观察到任何纤维从这些结构的折叠角上剥落（图3G）。
在可折叠性和耐用性方面，可模压木材也优于Al-5052，一种广泛用于轻质工程结构的铝合金，其中可模压木材可以折叠和展开100次而不会断裂，而铝合金仅折叠3次就断裂和展开循环（图3H）。
图 3. 使用细胞壁工程工艺将3D成型木材制成各种形状
【3D成型木材的性质】
研究人员发现3D成型木材还具有改进的轻质结构应用的机械性能，包括沿木纤维方向的约300 MPa的拉伸强度和60 MPa的压缩强度。这些值分别比原始天然木材高出近六倍和两倍。3D成型木材的刚度超过了一系列硬木、软木和聚合物（图4A）。
研究人员通过沿木纤维方向模制材料来制造3D模制木质蜂窝结构，该3D成型木质蜂窝单元与Al-5052蜂窝单元（46.8 MPa/g/cm3）（图4B）具有可比的比压缩强度（51.6 MPa/g/cm3）。Al-3D成型木-铝蜂窝芯夹层表现出9.1 MPa的抗压强度（图4C）和91.0 MPa/g/cm3的比抗压强度，高于Al-5052蜂窝结构的抗压强度（比压缩强度为70.9 MPa/g/cm3)。
这种夹层结构能够支撑1588 kg汽车的重量，相当于3D成型木质蜂窝芯本身重量的1526倍（图4D）。可以使用木材和纸浆行业成熟的卷对卷制造工艺来扩大波纹3D成型木结构的制造规模（图4E）。3D成型木材在所有环境影响类别中都显示出显着减少（59%至99%），即使与具有73.9%高回收含量的铝合金相比（图4G），这表明3D成型木材直接由生物来源的可再生材料（即硬木树种）制成，与传统的金属和聚合物相比，有可能提供增强的环境可持续性。
图 4. 3D成型木材的机械性能和LCA，可实现坚固、轻质的结构设计
【总结】
研究人员展示了细胞壁工程如何使木材可折叠和可塑，同时改善其机械性能——赋予木材以前仅限于塑料和金属的结构多功能性。3D成型木材作为一种可持续材料还具有多项优势，其对环境的影响可能低于铝合金。
当用作车辆和飞机的轻质结构材料时，3D成型木材还可以节省大量燃料并带来相应的环境效益。此外，木材加工性和功能性的进步可以激发更好的森林管理实践。同时，该方法对硬木具有普遍性。木质细胞壁工程可以大大扩展这种可持续和高性能材料的多功能性，使木材成为结构应用中塑料和金属的潜在替代品。
编辑/审核：Andy
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