基于环境友好型的木材仿生科学研究进展∗

陈碧琪 朱剑刚

（南京林业大学家具与工业设计学院，江苏 南京 210037)

仿生学是人们通过观察研究自然界生物的形态、结构、生理特性、动作等优异特征，应用当代科学技术模仿或建造具有生物系统特征或类似特征的科学。在木材仿生领域，具体表现为从自然界生物体获得灵感，利用诸如化学、物理或生物加工技术，为木材加工注入新理念、新设计、新构成，从而进一步扩展其应用领域,延长使用寿命[1]。

本文简述了木材与仿生科学研究相关的结构与性质，对国内外依据生物学原理和现代技术，赋予木材新发展空间的研究进行综述，并对木材仿生材料研究进行展望。

1 仿生学基本概念

《墨子·鲁问》记载:“公输子削竹木以为鹊，成而飞之，三日不下”。鲁班用竹木作鸟，其实是我国古代仿生学的体现，是我国木材仿生思想的萌芽[2]。西方学者认为仿生学是研究模仿生物系统方式，或以具有生物系统特征的方式或类似于生物系统的方式建造技术系统的科学。路甬祥将仿生学定义为：为了获得工程技术所需要的新设计思想、工作原理和系统，而针对生物系统的结构、性状、原理、行为等所做的科学研究[3]。

2 木材仿生结构

2.1 木材多尺度分级结构

2.1.1 宏观结构

木材为结构层次分明、构造有序的聚合物基天然复合材料，从树干到木材细胞、纤维素分子，具有层次分明、复杂有序的多尺度分级结构[4],如图1a所示。

2.1.2 微观结构

木材细胞包含初生壁、次生壁和胞腔三个部分。其中，次生壁由次生壁外层（S1）、次生壁中层（S2）和次生壁内层（S3）组成，呈现多尺度分级结构特点[4]，如图1b所示。

2.1.3 纤维结构

在显微镜下可见细胞壁上一些丝状结构的粗纤丝，将其再细分即为微纤丝。微纤丝之间存在约10 nm的空隙，其中聚集有木质素、半纤维素等物质，如图1c所示。

这些副层因微纤维排列不同对木材产生不同的支持力[5]。正因为木材拥有的这种分级结构系统，使其具有高强度、高硬度和高韧性。

图1 木材的分级结构[4]Fig.1 Hierarchical structure of wood

2.2 木材分级多孔结构

木材管孔不仅形状，其尺寸和分布特点也不尽相同，这就为制备各种分级多孔材料提供了广泛的选材空间。阔叶材的管孔形状、孔径与针叶材不同[6]，其管孔形状不规则，孔径尺寸的粗细变化范围较广，呈现出明显的分级特征；针叶材的孔径尺寸比较均匀,分布较为规则。木材多级多孔的特点使其具备收容其他纳米材料的条件，因而成为仿生制备新型材料的天然模板。

2.3 木材天然气凝胶结构体

木材细胞壁主要由纤维素（骨架物质）、半纤维素（基体物质）和木质素（结壳物质）三种成分构成。研究认为半纤维素是一种凝胶性基质物质，在其形成后立即被纤维素纤丝所增强[7]。

木材是天然的多孔有限膨胀胶体。对于细胞壁的膨化主要指对S2 层的膨化。从木材组成与结构看，其中包含许多孔隙，形成孔隙系统，满足气凝胶网络纳米结构的基本条件。

图2 纤维素、半纤维素和木质素结合构成细胞壁模型[7]Fig.2 Cellulose，hemicellulose，and lignin combine to form a cell wall model

图3 木材细胞壁的壁层结构[7]Fig.3 Layer structure of wood cell wall

3 木材仿生案例分析

3.1 仿生磁性木材

3.1.1 基础研究

Meak等[8]基于木材各向异性结构，在水性介质中用碱性溶液对三价铁和亚铁盐进行经典共沉淀，轻松地在木材内部原位合成了氧化铁磁铁矿（Fe3O4）和磁赤铁矿（γ-Fe2O3）两种磁性矿物，在不损害木材结构，并保留其固有特性的基础上，使木材具有良好磁响应性。由图4可见木材细胞壁内表面沉积的氧化铁纳米颗粒薄层；在外界磁场作用下木材可发生不同程度的重新排列组合，如图5所示为云杉和山毛榉磁性木材，在外部磁铁驱动下，可进行一些如升、翻转、定位的复杂运动。李坚等[9]通过水热法成功地将木材与磁性纳米粒子复合，得到了趋磁性木材，并研究了反应温度、时间和反应物的浓度等对趋磁性木材的影响，优化了制备工艺参数。

这类改性木材保留了木材的机械刚度、孔隙率和低密度等自然特性，增加了磁性，从而成为先进的生物基工程材料，使任意形状尺寸的磁性木材元件加工、处理和规模化生产更为容易。

图4 氧化铁纳米颗粒覆盖电镜图[8]Fig.4 SEM of iron oxide nanoparticles

图5 外部磁铁驱动[8]Fig.5 External magnet drive

3.1.2 多功能修饰

对趋磁性木材进行低表面能硅烷改性，可以制得兼有超疏水和抗紫外性能的趋磁性木材，拓展其应用范围。

已有研究采用在木材表面生长磁性纳米粒子的方法，增加木材表面粗糙度，使其兼具超疏水性与磁性。木材表面接触角为150°且滚动角很小，能被条形磁铁驱动。基于以上研究制备的趋磁性木材经紫外老化试验表明，不论木材明度、红绿色、黄蓝色、色差变化，趋磁性木材表面的颜色改变率均小于素材，即趋磁性木材具可抗紫外老化性能[9]。

3.2 仿生木质纤维素气凝胶

3.2.1 棉花纤维材料特性

棉花为锦葵科（Malvaceae）棉属（Gossypium）植物的种子纤维，是一种天然纯净纤维素材料，纤维素含量极高。仿生棉花轻质飘逸特性可用于秸秆等生物质废弃资源高附加值开发利用研究。

3.2.2 木质纤维素气凝胶

目前，气凝胶在木材中的应用有一定的进展，李坚[10]等采用农林废料制备具棉花轻柔特性的可浮于花瓣的纤维素气凝胶，为利用可再生纤维素资源开发新产品提供了思路。此外还运用超临界干燥技术结合溶胶-凝胶法制备新型木材SiO2气凝胶复合材料，实验发现除了细胞腔内，在细胞壁上也能找到排列均匀的SiO2。

3.3 仿生超疏水木材

3.3.1 荷叶滴水不沾特性

超疏水表面是指与水的接触角大于150 °而滚动角小于10 °的表面，水滴其上水滴小且极易滚落，除了荷叶面,水蝇腿、蜻蜓翅膀、蜘蛛丝等均如此。Barthlott等[11]的研究表明：植物叶面的超疏水性与其微米级乳突结构及疏水蜡质材料有关。

3.3.2 超疏水木材

木材是一种多孔性、吸湿性、各向异性的天然高分子材料，在潮湿环境中应用受限。赋予木材超疏水性能，使水分难以停留在木材表面，甚至使其具有自清洁性、抗冰霜、减阻、防水防腐等优异的特性，这对隔水、防腐、防虫害的生物质环境友好型材料的研发具有重要意义。近年来，木材超疏水仿生构建成为木材功能化修饰的热点之一。

初期研究采用一种气体放电型离子源产生低能量氢离子对檀木表面改性以提高疏水性，未处理试样表面约在8 s内完全吸水，处理后试样显示出超过10 min的斥水性[12]。目前该法已扩展应用于对不同树种的处理，经处理的木材抗湿润性和阻燃性提高，并且对漆膜附着力、质地、颜色等无不良影响。而李坚等[13]使用低温水热共溶剂法制备了木材超疏水表面并实现了其智能性光控亲疏转换。

目前，超疏水表面制备方法有溶胶凝胶法、水热法、气相沉积法、自组装法、浸渍法，还有等离子体法、电化学沉积法、软刻蚀法等[13]。

3.4 仿生光响应木材

3.4.1 海鞘光敏变色现象

海鞘可在不同环境下通过神经控制其体内的色素细胞，快速改变身体的图案和颜色。受此启发，研究人员积极探索创造与海鞘相似且具有精巧结构和功能的环境响应型材料，其可对外界刺激产生多重响应，调节自身性质，从而被广泛应用于生物诊断、组织工程、光学传感、涂料等领域。

3.4.2 光响应木材

李坚等[14]采用简便水热法和银镜法制备的复合薄膜显示出良好的紫外光控润湿性转换特性，研究得出微纳米结构与光控木材表面润湿性转换效应之间的开关关系。Hui等[15]用低温水热法，分别在木材基面建构了具有光驱动响应的两种薄膜，并发现原来在WO3（三氧化钨）处理下具有超亲水性的木材表面，在使用OTS（十八烷基三氯硅烷）处理后显示出超疏水性。惠彬等[16]采用溶胶凝胶法在木材表面构建一层有机光敏变色透明薄膜，其光响应可逆变色功能表现为在太阳光下迅速变色，可见光下迅速褪色。

以WO3、MoO3（三氧化钼）、V2O5（五氧化二钒）、TiO2（二氧化钛）为代表性的过渡金属氧化物是重要的无机光致变色材料。因此除了上述低温水热法、溶胶凝胶法外，目前也采用化学气相沉积法、阳极氧化法、磁控溅射法[17]等方法制备可附着于木材表面使其具有光响应特性的金属氧化物。

3.5 仿生高强度木质层积材料

3.5.1 扇贝层积结构

扇贝结构是典型的层级结构，一般可分为3层：外层角质层，薄而透明，不受酸碱的侵蚀；中层为棱柱层；内层壳底，由平板状的单元累积成层排列[18]。扇贝是天然层级分明的复合材料，虽主要由CaCO3（碳酸钙）构成，但抗张强度是CaCO3千倍，其原因就在于层积结构。仿生构筑贝壳类结构的功能材料，可为不同领域新型材料开发提供重要的发展空间。

目前已有研究借鉴扇贝层积结构性质制备高强度层积材料，如Bonderer等[19]仿生制备的陶瓷板-壳聚糖层状复合材料，质量仅为钢的一半，强度却与钢相当。

3.5.2 木材层积塑料板

在木材加工领域，仿生构筑贝壳类结构的功能材料主要为木材与其他材料的高强度复合层积材[20]。其中现阶段应用最多的为木塑复合材料。

夏志远等[21]研究了木材层积塑料制造工艺。木材层积塑料板由薄单板经酚醛树脂浸渍后组坯、热压而成。木材经树脂浸渍后，内部多孔被渗透，在高压和热的作用下发生塑化，木材与树脂之间的物化反应使其成为不可逆反应的坚实材料，强度高且绝缘性好，在大气相对湿度变化条件下稳定性好、耐腐，可用于建筑、机械、船舶、航空等领域。

有关木材层积塑料板制备方法及其所用木材的研究很多，案例也比较丰富。肖飞等[22]制备了杨木层积塑料板，该板材相较于普通杨木胶合板，细胞间隙和细胞腔被填充粘合回弹空间小，即板材尺寸稳定性好；此外，因其并未完全塑化，兼具木材和塑料力学性能上的双重优点,可用作客车车厢底板，应用前景十分广阔。

4 木材仿生材料研究展望

仿生木材的研究重点紧随木材改性发展大潮流，其中研究试验案例最多的当属木质纤维素气凝胶和超疏水木材。可见，轻质高强木质材料与具有自清洁、防腐、防虫功能的木质材料，是仿生木材的两大研究热点，这两种新型功能木材未来具有良好的应用前景。

1）我国有大面积的人工林及天然林轻质木材，由于材质轻软，限制了其使用。而木质纤维素气凝胶可使木材拥有更高强度的同时，拥有更低的密度，能填补人工气凝胶材料缺陷，成为绝热、隔音等领域的一种环境友好型功能性材料。有关气凝胶的研究国内外已取得诸多成果，其应用也较为广泛，也是本文所述五类仿生木质材料中研究与应用较为广泛的一种功能性木材。

2）超疏水木材及其产品有着极其广阔的应用前景。木材经疏水性处理后，其吸水、吸湿性降低，尺寸稳定性提高，使用价值得以提升。但超疏水木材因加工成本高，需复杂而又苛刻的实验条件，因此国内对超疏水木材的试验研究和应用还有限。今后在理论研究方面，表面微结构的几何形貌、尺寸与表面浸润性等仍有待深入；在实际应用方面，可从开发具有表面微结构可修复的超疏水表面及实现超双疏功能（既疏水又疏油）着手[23]。

3）天然木材资源有限，以大自然给予的各种生物环境现象为启发，对自然界生物体的结构、功能、行为、视觉等进行仿生研究，充分利用木材自身天然结构与属性，并结合纳米、生物学、界面化学等技术[24-25]，为木材这种环境友好性材料的多功能利用提供了无限可能，今后对包括木材在内的生物质材料研究与开发应符合高效低碳、高附加值、综合利用、定向转化、功能化、环境友好等发展方向。

5 结语

材料学、分子生物学、化学以及纳米技术的发展，直接推动了仿生学向微纳前沿方向发展。人们对“仿生”的概念不再只停留在“形似”，已从简单的认识自然、模仿自然，发展到超越自然。木材具有天然多尺度分级结构、多孔结构和调湿、调温、调磁等功能，是一种各向异性、低密度、高韧性、高强度及可再生性的环境友好型材料，今后应采用高水准的技术、设备进行木材仿生功能化研究，同时深入系统地对木材生物结构与功能的关系进行研究，使仿生木材朝着创新、绿色、高附加值方向发展。