木头有望取代钢铁中国科学家将天然木材硬度提高二十三倍化学处理四小时即可实现

木刀切肉，能切动吗？

木钉子固定木板，这可行吗？

马里兰大学李腾课题组新论文的发表，让这一切成为可能。

他表示，化學处理后的硬化木材，是上述木刀和木钉的原材料，其硬度是天然木材的23倍，锋利程度超过不锈钢餐桌刀。

相关论文以《硬木材作为钢和塑料的可再生替代品》为题发表在Matter上。

地球有3万多亿棵成熟树木，硬化木材前景极佳

我们几乎天天离不开硬材料，但被广泛使用的硬质材料往往不可再生，而且价格昂贵。许多硬材料的合成需要超高温和超高压等极端条件，因此构成了潜在安全挑战，也会消耗巨大能量。

此外，合成过程往往会排出大量废气。因此，非常有必要制备一种工艺简单、可持续、且低成本的硬材料替代品。

以制备木刀的硬化木材为例，同样制备合金刀和陶瓷刀，至少需要多出10倍的温度和压力。硬化木材的优势由此可见一斑，那么如何制备硬化木材？

纤维素是木材的主要成分， 其比强度（强度/密度）比多数工程材料比如陶瓷、金属和聚合物都要高。但是木材的强度低于纤维素， 这是因为木材本身组成中只有40%～50%的纤维素，其余的则由半纤维素和木质素组成， 而且天然木材中含有大量的孔洞。

李腾课题组采用的做法是尽量保持天然木材中的纤维素含量和结构，并且大幅度降低材料中的缺陷（比如孔洞，通道等）。过程分为两步：

第一步是将木材脱掉木质素，即将木材浸泡在含有氢氧化钠和亚硫酸钠的溶液中，当温度达到100摄氏度下将溶液煮沸几个小时。天然木材的刚性大，不易变形，而在去除木质素后，它会变得柔软、灵活。

第二步，给已被进行化学加工的木材施加压力和热度，过程中它会受到热压，水分会被去除，密度也会变得更大，然后在100摄氏度左右干燥，最终制备出硬化木材。

去除部分木质素和半纤维素，并用去离子水冲洗

下图是将原料木材、转成硬化木材的加工策略示意图。首先通过化学处理，从天然椴木中去除部分木质素和半纤维素，然后用去离子水冲洗。

接着，在室温下把部分脱木质素的木材样品，放在垂直于木纤维的方向进行压缩，借此挤压原材料中的孔隙和坑，并挤出其中的水。

随后，把部分脱木质素的木材样品，进行热压干燥，来让它更致密。

借此产生的硬化木材，比原材料强大23倍，原因在于其显著密集的材料结构，可增强硬化木材中相邻纤维素纤维之间的氢键形成。

然后将硬化木材浸入食品级矿物油中做表面处理，以提高其耐水性。通过切割和抛光，进一步将它加工成木刀和木钉，以展示其作为一次性桌刀和钢钉替代品的潜在应用。

化学处理4小时，可让硬化木材达到最佳硬度

化学处理4小时，可让硬化木材达到最佳硬度

那么，普通木材和硬化木材的硬度有何不同？如下图，图A和图B分别显示了天然椴木在R-T和R-L平面上的形态，沿木材的生长方向上，含有很多大小不一的管状通道和孔隙。

图C和图D则显示了硬化木材的相应形态，其中木细胞壁完全坍塌，纤维素纤维密集地平行排列。

与此同时，硬化木材样品的厚度，比原木材少了约20%。由此可见，硬化木材的致密化程度，与化学加工过程中去除的木质素密切相关。

在脱木质素的过程中，还对原材料进行了3个不同时间的化学处理，借此研究处理时间和木质素含量的依赖关系。

研究中，他们分别测量了硬化木材样品在其表面和中心附近的木质素含量。

如右图所示，在对硬化木材样品做2小时的化学处理时， 木质素含量分别为表面19.67+/-1.13wt%、中心20.31+/-0.61wt%;做4小时的化学处理时，木质素含量分别为表面18.04+/-1.09wt%、中心18.86+/-0.25wt%;做6小时的化学处理时，木质素含量分别为表面16.89+/-0.80wt%和中心17.83+/-1.05wt%。

即当化学处理时间相同时，中心部分的木质素含量均略高于表面部分，原因在于化学物质在木材表面附近的扩散速率，高于高温中心的扩散速率。

在不同的化学处理时间下，分别测定了硬化木材樣品的半纤维素含量。分别做化学处理2 小时、4小时、6小时，硬化木材样品中半纤维素含量依次是18.50+/-0.87wt%、17.47+/-0.51wt%和16.89+/-0.40wt%。

这表明，化学处理时间越长，硬化木材中半纤维素含量较低。

那么，处理几小时可得到最佳硬度？由于布氏硬度试验方法常用于评价材料硬度，基于此他们通过在硬化木材表面施加30kg的力而产生压痕。

然后使用光学显微镜对压痕进行了表征和分析， 结果发现凹部下方的木纤维会变形、并形成弯曲形状。

结果表明，化学处理时间为4小时的硬化木材样品，比化学处理时间为2小时和6小时化学处理时间的样品， 具有更高的布氏硬度，大约是天然椴木的23倍。

通过矿物油处理，来增强高温表面耐水性

木材的主要成分是亲水性的纤维素。因此，天然木材具有吸水性。因此，进行矿物油处理可增强高温表面的耐水性。

如下图，已形成的硬化木材表面、油处理后的硬化木材表面的接触角分别为45.3+/-0.6度和79.9+/-1.8度，这表明硬化木材表面的耐水性显著提高。

为了进一步证明油处理后的硬化木材的耐水性，他们把它完全浸入去离子水中24小时。

并在浸水实验前后分别测量样品的厚度， 结果发现浸泡2 4小时后，预制硬化木材的厚度增加幅度为101.0%;而油处理后的硬化木材厚度增加幅度仅24.6%。

在重量增加百分比上，经过24小时去离子水浸泡的成品硬化木材的重量增加46.5%，油处理后的硬化木材重量增加了14.2%。

与此同时，去离子水浸泡24小时后的人造硬化木材，其布氏硬度出现显著下降，而24小时油处理后的硬化木材中布氏硬度仅略有下降。

以上实验表明，矿物油处理时提高抗水性的一种简单而有效的策略。

由于木材中的纤维素具有吸收性，因此当木材被雕刻成所需形状后，再给其涂上矿物油即可延长寿命，有了这一涂层，在使用时或进行清洗时，木刀即可保持锐度。

木刀和钉子，分别对应切割功能和固定工具功能

硬材料最重要的两种应用，是切割和固定，比如我们使用菜刀切肉、使用钉子固定物品。

为了证明硬化木材力学性能的意义，他们分别展示了硬化木材在切割能力、和固定能力上的两种潜在应用，即文章开头的木刀和木钉。

考虑到木纤维排列方向下的各向异性材料结构，他们制备出两种木质刀片：I型硬化木材刀和II型硬化木材刀。前者是木纤维的方向平行于刀片，后者则是木纤维的方向垂直于刀片。

在对比商用钢桌刀、塑料桌刀、木桌刀、I型和II型硬化木材刀之后，他发现这两种木刀比塑料刀、钢桌刀和木桌刀都更锋利。

实验中，他们还设置了两种切割模式：不滑动和滑动。

结果发现，滑动模式下的切割力，一般小于非滑动模式下的切割力。而在任何一种切割模式下，II型硬化木材刀比I型硬化木材刀更锋利，原因是沿木材纤维方向的硬化木材的刚度，高于垂直于木材纤维方向的硬化木材刀。

此外， 硬化木材不仅具有特殊力学性能，还不会像金属一样生锈，这表明它具备作为固定材料的候选潜力。

作为演示，他们通过雕刻一块硬化木材和表面抛光来制造一个硬化木材木钉。

研究中，他们比较了一个6号钢钉（直径约3毫米，长度约5厘米）、和一个相似尺寸的硬化木材钉。为了证明硬化木材钉的有效性，他将硬化木材钉和钢钉锤向每层5毫米厚的三层天然椴木，并用木钉将它们固定在一起。

实验证明，在通过天然木层的穿透过程中，木钉或钢钉都没有发生损坏。

硬化木材的主要原料是椴木、氢氧化钠、亚硫酸钠，这都是供应丰富、且成本很低的商品。同时，通过回收和重用化学品，还可进一步降低硬件的制造成本。

李腾表示，未来这种木材也可用来制造更耐抓挠和磨损的硬木地板和硬化木门。如果需要的话，还可进行清洗、干燥和重新磨尖硬化木材制品，以便延长使用寿命。

他也坦言，尽管实现了木头本身能达到一部分力学行为，并没有把木头的最大潜力挖掘出来， 即便如此也将木头硬度提高2 3倍。

其中最主要的原因在于，大幅降低了木头缺陷数量和缺陷幅度，从而极大提升了木头硬密度。在未来，也可把硬化木材做得更大更薄，如此就能把超硬木片贴在不同结构上，从而用在更多场景中。

从教16年，如今借助视频号业余科普影响更多人

虽然人在海外，但是李腾看到微信的巨大潜力，2020年微信视频号的兴起，让他在业余时间开始做起科普，这也让他得以触达更多人，尤其是青年科研人员。

他举例称，有一次和两位博士后讨论完问题之后，他把自己讲的内容，做了一个短视频在他的“李腾教授”视频号发布，最终有几万人观看。

后来他和学生说，看似多花了一点时间做视频，但原本只让他们俩受益，现在则能让几万人从中受益。这种放大的倍数，让他愿意花时间投入。

李腾说自己做了16年的教授，虽然教过很多学生，但是比起做视频号和直播能影响到的受众，在量级上的差别非常大，而这也让他非常有满足感。

此次硬化木材的视频，也在国外媒体广泛流传。可以说，李腾的木材研究贴合环保趋势，业余视频直播科普则紧跟新型传播手段。而这一切，都是在用科学影响世界。 （综合整理报道）（编辑/华生）