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  木材一直是廣泛使用的結構材料，但天然實木受到大尺寸材料稀少、力學上各向異性的限制，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。

  傳統人造板主要是由含有甲醛的樹脂等粘合劑將木屑等生物質原料粘結而成的，粘合劑的使用不僅大大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氣體，嚴重威脅使用者的身體健康。因此，發展高性能無甲醛綠色環保板材對傳統人造板產業的升級發展至關重要。

常見的實木（左）與人造板（右）

  近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊提出了一種全新的生物質表面納米化策略，可以利用生物質天然納米結構，構筑出一種新型的各向同性仿生木材（RGI-wood），研究成果發表在《國家科學評論》（National Science Review, NSR）。

  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，并使其互相交聯從而構筑無需任何粘合劑的高性能人造木材，具體構筑過程如下圖所示。

RGI-wood制備示意圖。（a）天然木屑；（b）表面蝕刻后的木屑顆粒；（c）表面納米化的木屑（SNWP）的結構；（d）Ca²⁺和氫鍵誘導的SNWP的組裝過程；（e）通過熱壓制備RGI-wood。

  在這種高性能人造木材中，微米級木屑顆粒暴露出大量納米尺度的纖維素纖維，這些納米纖維通過離子鍵、氫鍵、范德華力以及物理糾纏等相互作用結合在一起，無需任何粘結劑，即可緊密結合為高強度的致密結構。這種結構具有高達170 MPa的各向同性抗彎強度和約10 GPa的彎曲模量，其力學強度遠超天然實木和傳統人造板。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、抗沖擊性、尺寸穩定性以及優于天然木材的阻燃性。

  作為一種全生物基的環保材料，新型人造木材不含任何粘結劑、制備尺寸不受限制，而且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，有望在許多應用場景下取代塑料和傳統板材。

  這種由納米纖維構成的網絡也為制備木基納米復合材料提供了一種新途徑。例如，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。其中的碳納米管能夠形成更連續的三維網絡，因此具有比傳統聚合物/碳納米管復合材料更好的導電網絡和更高的電導率，可以實現傳感、自發熱、電磁屏蔽等多種應用。

  在權威檢測機構的標準測試中，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。智能人造木材還可以在低電壓下利用焦耳熱實現自發熱，在1.75 V低電壓下（約等于兩節五號電池的電壓），樣品可在5分鐘內升至60攝氏度，較低的加熱電壓可以有效地確保自加熱設備的安全性，同時減少能耗。

  這種全新的生物質表面納米化策略不只適用于人造木材，也可以擴展到其他生物質（如樹葉、稻草和秸稈等），制造出一系列綠色全生物質可持續結構材料。這類新材料有望推動人造板行業向綠色、環保和低碳方向發展，而且有望在塑料替代和人造板材領域發揮巨大潛力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa230