大牛速览：神奇的木头——看“木头专家”如何玩转木头！

【引语】

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木头可以用来做什么呢？我们大家都能想到的答案是建材、家具、装饰品等。木制品在人们的日常生活中随处可见，可真正对木头的科学研究却很少。有那么一位老师，对木头可谓是情有独钟，将木头的作用也是发挥得淋漓尽致，也由此获得了“木头专家”的称号。他就是马里兰大学的胡良兵老师。

胡良兵课题组一直致力于新兴材料的开发和研究，扩展生物质材料（尤其是木头纳米纤维素）的基础科学知识，并将其与新兴技术相结合。纳米纤维素也成功的应用在了很多领域，比如：能源存储、环境科学、建筑科学、柔性电子设备、水处理等等。

木头最显著的特点是各向异性，这与其内部均匀排布的立式通道有关。这些立式通道用来提供树木生长所必需的的水分、矿物质和养料等。木材细胞壁包含直径3-5nm的纤维丝，以及木质和胶质等物质。此外，纤维丝、半纤维素和木质素的交互结构，造就了木材优越的机械性能。胡老师课题组通过对木材简单的处理，大大改善木材的性能。研究人员将木材中的木质素去除，代之以聚合物，最后木材的透光率可达90%，且力学性能大为改观，强度也提升了4-6倍。这种结构材料可应用在同时要求机械性能和透光性能的场合下。比起玻璃，这种透明的木头在受到一般程度的挤压下不会破裂。[1]

普通的木材在许多先进的工程结构应用中表现出性能不佳的缺点。虽然用蒸汽、氨水或冷轧预处理木材，将其致密化，可以大大提高木材的机械性能，但是致密化程度并不能满足现有技术对木材机械性能的要求。研究人员通过在NaOH和Na2SO3的含水混合物的沸腾过程从天然木材中去除木质素和半纤维素，随后进行热压，导致细胞壁的完全塌陷，使天然木材中的纤维素纳米纤维完全致密化。这种致密化程度比之前的处理方法得到的致密化度更高，得到的压缩木材具有比大多数金属和合金更高的强度，使其成为低成本、高性能、轻量级的替代品。这种超强木头刷新了木材在工程上的应用，胡老师之后会不会考虑用超强木材造汽车呢？让我们期待一下~[2]

继“超强木头”的开发之后，胡老师又成功的将木头做成高弹性的“木炭海绵”。研究人员先通过化学处理去除木质素和半纤维素破坏了天然木材的细胞壁，产生具有许多堆叠拱形层的层状结构。在高温碳化之后，层状结构仍可以很好地保存下来。这种层状结构具有高达80％的高可压缩性，且在50％应变下展现出10,000个压缩循环的高抗疲劳性。同时，这种木炭海绵在压缩时也表现出灵敏的电导率变化。胡老师不仅可以提高木头的透光率、强度，还可以将木头做成高弹性的海绵。不得不佩服胡老师的创新能力，看似普通的木头，却做出不一样的性能。[3]

胡老师不仅提高了木材的性能，而且木材中的纳米纤维素由于其特有的孔道结构，也被应用在了各种新兴技术。这种纳米纤维素表现出各向异性的热传导性能，在垂直于纳米纤维的横向上热导率很低，在轴向上的热导率为横向的两倍。这种热传导的各向异性，使得纳米木头能够沿着轴向有效的散热，同时在横向上产生绝热，可以做成很好的保温材料。[4]

木材中均匀排列的纳米纤维不但表现出很好的保温性能，其良好的柔性和可弯曲性也使得其在纺织行业也体现出巨大的应用前景。在木材去木质化后，纳米纤维素保持了原有的孔道结构，再经一步扭转后，大量的微孔道得以消除，这种方法制得的致密化结构比天然木材有着两倍的机械强度和20倍高的韧性，并且具有良好的可编织性和可染性。是的，你没看错，胡老师竟然要用木头来制造衣服，这将大大降低制造成本。[5]

这种高强度、有序纤维素纳米纤维还可以用来制作水凝胶，纳米纤维素与聚合物分子链之间存在较强的氢键作用和交联结构，使得木材水凝胶的拉伸强度高达36MPa。而且纳米纤维带有负电荷，这种水凝胶还可以用作纳米流体导管实现类似生物肌肉组织的离子选择性传输功能。[6, 7]

胡老师组不仅将木头纳米纤维素用于各种生物体系，在海水淡化和水净化处理方面也做了很多工作。太阳能蒸汽发生装置是目前解决淡水短缺问题最有前景的技术之一，而提高太阳能蒸汽发生装置性能的关键就是要提高太阳能接收效率、减少热损失、保证流体的输送和蒸发。天然木材高度一致的孔道结构使得其可以快速的传输水。研究人员在木材的3维孔道中均匀的负载金属颗粒，得益于金属颗粒的等离激元效应和木材基质中微孔道的波导效应，这样等离激元木材在200-2500nm的超宽波长范围内展现出大于99%的光吸收效率。[8, 9]木头不仅可以作为吸光材料的载体，其优异的绝热性能也使得其可以用作良好的隔热层来提高太阳能蒸汽发生装置的性能。研究人员将木头按水平生长方向放置在光吸收层下方用作隔热层，通过纳米级通道在木材中进行跨平面水输送，热传输方向被解耦以减少传导热损失。垂直于木材的跨平面可以通过凹洞和螺旋提供快速的水输送。纤维素纳米纤维在凹洞周围呈圆形分布，并沿着螺旋高度对齐以将水穿过内腔。同时，利用木材的各向异性导热，可以提供比超隔热聚苯乙烯泡沫塑料更好的绝缘性能。[10]

胡老师在研究木头的同时，也在进行着能源存储与转换的研究工作。在过去的一年里，胡老师在固态电解质[11]、锂金属负极[12, 13]、钠离子电池[14]等研究上取得了不错的成果，尤其是木头纳米纤维素在电池及催化领域的应用更是让人耳目一新。研究人员利用静电作用将导电炭黑吸附在纤维素纳米纤维上构成导电网络，导电网络中纳米孔提供离子导电路径。这种电极结构用于磷酸铁锂等正极材料，可以大大提高电极的面容量、提高电池的能量密度。[15]这种纳米纤维不仅可以制作厚电极，还可以用作水系电池的集流体。研究人员将碳纳米管与纤维素纳米纤维混合，碳纳米管提供了优异的导电性，与纤维素纳米纤维的复合又保证了结构的高机械强度。通过调节碳纳米管与纤维素纳米纤维的比例，可以做成很薄的集流体，并且具有高导电性、高机械强度。[16]不仅木头纤维素可以做电池，细菌纤维素同样可以用于电池结构的设计。研究人员利用细菌纤维素膜作模板，浸入LLZO前驱体溶液中，LLZO负载在细菌纤维素骨架网络中，经过煅烧后，细菌纤维素被移除，剩下了LLZO骨架膜，然后与聚合物电解质PEO-LiTFSI混合，做成有机无机混合的固态电解质。有序的LLZO网络保证了快速的锂离子传导，与有机聚合物复合保证了结构的弹性，大大提高了固态电解质的性能。[17]

木材结构是一种高效的离子、气体传输系统，将催化剂均匀地负载在孔道结构中，可以用作各种催化领域。[18]用于锂空电池正极结构中，其独特的孔道结构可以保证氧气或者二氧化碳气体的传输，而且有利于电解液的浸润，在微孔道的多孔壁上形成了空气、电解液、催化剂的三相活性位点，促进了电子、离子的传输，加快了电化学反应。[19, 20]

胡良兵老师致力于新材料新技术的开发与研究，但能在普通的木头上做出这么多的成果，绝非偶然，这离不开胡老师兢兢业业的辛苦工作，但这些成果也并非是一味的埋头苦干就能做出来的，还需要有一定的创新思维。我们在欣赏别人的优秀工作的同时，一定不能忘记学习其研究思想与研究方法。胡老师出色的工作能力相信会给予很大一部分人启发，做科研不一定要研究基础科学，但却一定要立足于科学的基础，脚踏实地，大胆的创新，相信终有一天，每一个辛勤工作的你都会取得成功。

参考文献：

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[2] J. Song, C. Chen, S. Zhu, M. Zhu, J. Dai, U. Ray, Y. Li, Y. Kuang, Y. Li, N. Quispe, Y. Yao, A. Gong, U.H. Leiste, H.A. Bruck, J.Y. Zhu, A. Vellore, H. Li, M.L. Minus, Z. Jia, A. Martini, T. Li, L. Hu, Processing bulk natural wood into a high-performance structural material, Nature, 554 (2018) 224-228.

[3] C. Chen, J. Song, S. Zhu, Y. Li, Y. Kuang, J. Wan, D. Kirsch, L. Xu, Y. Wang, T. Gao, Y. Wang, H. Huang, W. Gan, A. Gong, T. Li, J. Xie, L. Hu, Scalable and Sustainable Approach toward Highly Compressible, Anisotropic, Lamellar Carbon Sponge, Chem, 4 (2018) 544-554.

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[5] C. Jia, C. Chen, Y. Kuang, K. Fu, Y. Wang, Y. Yao, S. Kronthal, E. Hitz, J. Song, F. Xu, B. Liu, L. Hu, From Wood to Textiles: Top-Down Assembly of Aligned Cellulose Nanofibers, Advanced materials, 30 (2018) e1801347.

[6] W. Kong, C. Wang, C. Jia, Y. Kuang, G. Pastel, C. Chen, G. Chen, S. He, H. Huang, J. Zhang, S. Wang, L. Hu, Muscle-Inspired Highly Anisotropic, Strong, Ion-Conductive Hydrogels, Advanced materials, 30 (2018) e1801934.

[7] C. Wang, S. Wang, G. Chen, W. Kong, W. Ping, J. Dai, G. Pastel, H. Xie, S. He, S. Das, L. Hu, Flexible, Bio-Compatible Nanofluidic Ion Conductor, Chemistry of Materials, 30 (2018) 7707-7713.

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[14] Z. Liu, C. Yue, C. Chen, J. Xiang, F. Hu, D. Lee, D. Shin, S. Sun, L. Hu, T. Song, A self-buffering structure for application in high-performance sodium-ion batteries, Energy Storage Materials, 15 (2018) 242-248.

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[16] W. Luo, J. Hayden, S.-H. Jang, Y. Wang, Y. Zhang, Y. Kuang, Y. Wang, Y. Zhou, G.W. Rubloff, C.-F. Lin, L. Hu, Highly Conductive, Light Weight, Robust, Corrosion-Resistant, Scalable, All-Fiber Based Current Collectors for Aqueous Acidic Batteries, Advanced Energy Materials, 8 (2018) 1702615.

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[18] Y. Li, T. Gao, Y. Yao, Z. Liu, Y. Kuang, C. Chen, J. Song, S. Xu, E.M. Hitz, B. Liu, R.J. Jacob, M.R. Zachariah, G. Wang, L. Hu, In Situ “Chainmail Catalyst” Assembly in Low-Tortuosity, Hierarchical Carbon Frameworks for Efficient and Stable Hydrogen Generation, Advanced Energy Materials, 8 (2018) 1801289.

[19] S. Xu, C. Chen, Y. Kuang, J. Song, W. Gan, B. Liu, E.M. Hitz, J.W. Connell, Y. Lin, L. Hu, Flexible lithium–CO2 battery with ultrahigh capacity and stable cycling, Energy & Environmental Science, 11 (2018) 3231-3237.

[20] H. Song, S. Xu, Y. Li, J. Dai, A. Gong, M. Zhu, C. Zhu, C. Chen, Y. Chen, Y. Yao, B. Liu, J. Song, G. Pastel, L. Hu, Hierarchically Porous, Ultrathick, “Breathable” Wood-Derived Cathode for Lithium-Oxygen Batteries, Advanced Energy Materials, 8 (2018) 1701203.

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