大牛速覽：神奇的木頭——看“木頭專家”如何玩轉木頭！

【引語】

推出大牛速覽專欄：主要撰寫材料領域內的知名人物，讓大家快速了解各位大牛的研究進展。材料人現在設立各種文章專欄，所涉及領域正在慢慢完善，由此也需要更多的專欄作者，期待你們的加入，有意向的小伙伴直接微信聯系cailiaorenVIP。不要再猶豫，下一個專欄創始人就是你。請記住：縱然你離我千里萬里，我都在材料人等你！

木頭可以用來做什么呢？我們大家都能想到的答案是建材、家具、裝飾品等。木制品在人們的日常生活中隨處可見，可真正對木頭的科學研究卻很少。有那么一位老師，對木頭可謂是情有獨鐘，將木頭的作用也是發揮得淋漓盡致，也由此獲得了“木頭專家”的稱號。他就是馬里蘭大學的胡良兵老師。

胡良兵課題組一直致力于新興材料的開發和研究，擴展生物質材料（尤其是木頭納米纖維素）的基礎科學知識，并將其與新興技術相結合。納米纖維素也成功的應用在了很多領域，比如：能源存儲、環境科學、建筑科學、柔性電子設備、水處理等等。

木頭最顯著的特點是各向異性，這與其內部均勻排布的立式通道有關。這些立式通道用來提供樹木生長所必需的的水分、礦物質和養料等。木材細胞壁包含直徑3-5nm的纖維絲，以及木質和膠質等物質。此外，纖維絲、半纖維素和木質素的交互結構，造就了木材優越的機械性能。胡老師課題組通過對木材簡單的處理，大大改善木材的性能。研究人員將木材中的木質素去除，代之以聚合物，最后木材的透光率可達90%，且力學性能大為改觀，強度也提升了4-6倍。這種結構材料可應用在同時要求機械性能和透光性能的場合下。比起玻璃，這種透明的木頭在受到一般程度的擠壓下不會破裂。[1]

普通的木材在許多先進的工程結構應用中表現出性能不佳的缺點。雖然用蒸汽、氨水或冷軋預處理木材，將其致密化，可以大大提高木材的機械性能，但是致密化程度并不能滿足現有技術對木材機械性能的要求。研究人員通過在NaOH和Na2SO3的含水混合物的沸騰過程從天然木材中去除木質素和半纖維素，隨后進行熱壓，導致細胞壁的完全塌陷，使天然木材中的纖維素納米纖維完全致密化。這種致密化程度比之前的處理方法得到的致密化度更高，得到的壓縮木材具有比大多數金屬和合金更高的強度，使其成為低成本、高性能、輕量級的替代品。這種超強木頭刷新了木材在工程上的應用，胡老師之后會不會考慮用超強木材造汽車呢？讓我們期待一下~[2]

繼“超強木頭”的開發之后，胡老師又成功的將木頭做成高彈性的“木炭海綿”。研究人員先通過化學處理去除木質素和半纖維素破壞了天然木材的細胞壁，產生具有許多堆疊拱形層的層狀結構。在高溫碳化之后，層狀結構仍可以很好地保存下來。這種層狀結構具有高達80％的高可壓縮性，且在50％應變下展現出10,000個壓縮循環的高抗疲勞性。同時，這種木炭海綿在壓縮時也表現出靈敏的電導率變化。胡老師不僅可以提高木頭的透光率、強度，還可以將木頭做成高彈性的海綿。不得不佩服胡老師的創新能力，看似普通的木頭，卻做出不一樣的性能。[3]

胡老師不僅提高了木材的性能，而且木材中的納米纖維素由于其特有的孔道結構，也被應用在了各種新興技術。這種納米纖維素表現出各向異性的熱傳導性能，在垂直于納米纖維的橫向上熱導率很低，在軸向上的熱導率為橫向的兩倍。這種熱傳導的各向異性，使得納米木頭能夠沿著軸向有效的散熱，同時在橫向上產生絕熱，可以做成很好的保溫材料。[4]

木材中均勻排列的納米纖維不但表現出很好的保溫性能，其良好的柔性和可彎曲性也使得其在紡織行業也體現出巨大的應用前景。在木材去木質化后，納米纖維素保持了原有的孔道結構，再經一步扭轉后，大量的微孔道得以消除，這種方法制得的致密化結構比天然木材有著兩倍的機械強度和20倍高的韌性，并且具有良好的可編織性和可染性。是的，你沒看錯，胡老師竟然要用木頭來制造衣服，這將大大降低制造成本。[5]

這種高強度、有序纖維素納米纖維還可以用來制作水凝膠，納米纖維素與聚合物分子鏈之間存在較強的氫鍵作用和交聯結構，使得木材水凝膠的拉伸強度高達36MPa。而且納米纖維帶有負電荷，這種水凝膠還可以用作納米流體導管實現類似生物肌肉組織的離子選擇性傳輸功能。[6, 7]

胡老師組不僅將木頭納米纖維素用于各種生物體系，在海水淡化和水凈化處理方面也做了很多工作。太陽能蒸汽發生裝置是目前解決淡水短缺問題最有前景的技術之一，而提高太陽能蒸汽發生裝置性能的關鍵就是要提高太陽能接收效率、減少熱損失、保證流體的輸送和蒸發。天然木材高度一致的孔道結構使得其可以快速的傳輸水。研究人員在木材的3維孔道中均勻的負載金屬顆粒，得益于金屬顆粒的等離激元效應和木材基質中微孔道的波導效應，這樣等離激元木材在200-2500nm的超寬波長范圍內展現出大于99%的光吸收效率。[8, 9]木頭不僅可以作為吸光材料的載體，其優異的絕熱性能也使得其可以用作良好的隔熱層來提高太陽能蒸汽發生裝置的性能。研究人員將木頭按水平生長方向放置在光吸收層下方用作隔熱層，通過納米級通道在木材中進行跨平面水輸送，熱傳輸方向被解耦以減少傳導熱損失。垂直于木材的跨平面可以通過凹洞和螺旋提供快速的水輸送。纖維素納米纖維在凹洞周圍呈圓形分布，并沿著螺旋高度對齊以將水穿過內腔。同時，利用木材的各向異性導熱，可以提供比超隔熱聚苯乙烯泡沫塑料更好的絕緣性能。[10]

胡老師在研究木頭的同時，也在進行著能源存儲與轉換的研究工作。在過去的一年里，胡老師在固態電解質[11]、鋰金屬負極[12, 13]、鈉離子電池[14]等研究上取得了不錯的成果，尤其是木頭納米纖維素在電池及催化領域的應用更是讓人耳目一新。研究人員利用靜電作用將導電炭黑吸附在纖維素納米纖維上構成導電網絡，導電網絡中納米孔提供離子導電路徑。這種電極結構用于磷酸鐵鋰等正極材料，可以大大提高電極的面容量、提高電池的能量密度。[15]這種納米纖維不僅可以制作厚電極，還可以用作水系電池的集流體。研究人員將碳納米管與纖維素納米纖維混合，碳納米管提供了優異的導電性，與纖維素納米纖維的復合又保證了結構的高機械強度。通過調節碳納米管與纖維素納米纖維的比例，可以做成很薄的集流體，并且具有高導電性、高機械強度。[16]不僅木頭纖維素可以做電池，細菌纖維素同樣可以用于電池結構的設計。研究人員利用細菌纖維素膜作模板，浸入LLZO前驅體溶液中，LLZO負載在細菌纖維素骨架網絡中，經過煅燒后，細菌纖維素被移除，剩下了LLZO骨架膜，然后與聚合物電解質PEO-LiTFSI混合，做成有機無機混合的固態電解質。有序的LLZO網絡保證了快速的鋰離子傳導，與有機聚合物復合保證了結構的彈性，大大提高了固態電解質的性能。[17]

木材結構是一種高效的離子、氣體傳輸系統，將催化劑均勻地負載在孔道結構中，可以用作各種催化領域。[18]用于鋰空電池正極結構中，其獨特的孔道結構可以保證氧氣或者二氧化碳氣體的傳輸，而且有利于電解液的浸潤，在微孔道的多孔壁上形成了空氣、電解液、催化劑的三相活性位點，促進了電子、離子的傳輸，加快了電化學反應。[19, 20]

胡良兵老師致力于新材料新技術的開發與研究，但能在普通的木頭上做出這么多的成果，絕非偶然，這離不開胡老師兢兢業業的辛苦工作，但這些成果也并非是一味的埋頭苦干就能做出來的，還需要有一定的創新思維。我們在欣賞別人的優秀工作的同時，一定不能忘記學習其研究思想與研究方法。胡老師出色的工作能力相信會給予很大一部分人啟發，做科研不一定要研究基礎科學，但卻一定要立足于科學的基礎，腳踏實地，大膽的創新，相信終有一天，每一個辛勤工作的你都會取得成功。

參考文獻：

[1] M. Zhu, J. Song, T. Li, A. Gong, Y. Wang, J. Dai, Y. Yao, W. Luo, D. Henderson, L. Hu, Highly Anisotropic, Highly Transparent Wood Composites, Advanced materials, 28 (2016) 5181-5187.

[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.

[4] T. Li, J. Song, X. Zhao, Z. Yang, G. Pastel, S. Xu, C. Jia, J. Dai, C. Chen, A. Gong, F. Jiang, Y. Yao, T. Fan, B. Yang, L. W?gberg, R. Yang, L. Hu, Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose, Science Advances, 4 (2018) eaar3724.

[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.

[8] M. Zhu, Y. Li, F. Chen, X. Zhu, J. Dai, Y. Li, Z. Yang, X. Yan, J. Song, Y. Wang, E. Hitz, W. Luo, M. Lu, B. Yang, L. Hu, Plasmonic Wood for High-Efficiency Solar Steam Generation, Advanced Energy Materials, 8 (2018) 1701028.

[9] H. Liu, C. Chen, H. Wen, R. Guo, N.A. Williams, B. Wang, F. Chen, L. Hu, Narrow bandgap semiconductor decorated wood membrane for high-efficiency solar-assisted water purification, Journal of Materials Chemistry A, 6 (2018) 18839-18846.

[10] T. Li, H. Liu, X. Zhao, G. Chen, J. Dai, G. Pastel, C. Jia, C. Chen, E. Hitz, D. Siddhartha, R. Yang, L. Hu, Scalable and Highly Efficient Mesoporous Wood-Based Solar Steam Generation Device: Localized Heat, Rapid Water Transport, Advanced Functional Materials, 28 (2018) 1707134.

[11] C. Wang, L. Zhang, H. Xie, G. Pastel, J. Dai, Y. Gong, B. Liu, E.D. Wachsman, L. Hu, Mixed ionic-electronic conductor enabled effective cathode-electrolyte interface in all solid state batteries, Nano Energy, 50 (2018) 393-400.

[12] Y. Zhang, C. Wang, G. Pastel, Y. Kuang, H. Xie, Y. Li, B. Liu, W. Luo, C. Chen, L. Hu, 3D Wettable Framework for Dendrite-Free Alkali Metal Anodes, Advanced Energy Materials, 8 (2018) 1800635.

[13] Y. Liu, Y. Qiao, Y. Zhang, Z. Yang, T. Gao, D. Kirsch, B. Liu, J. Song, B. Yang, L. Hu, 3D printed separator for the thermal management of high-performance Li metal anodes, Energy Storage Materials, 12 (2018) 197-203.

[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.

[15] Y. Kuang, C. Chen, G. Pastel, Y. Li, J. Song, R. Mi, W. Kong, B. Liu, Y. Jiang, K. Yang, L. Hu, Conductive Cellulose Nanofiber Enabled Thick Electrode for Compact and Flexible Energy Storage Devices, Advanced Energy Materials, 8 (2018) 1802398.

[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.

[17] H. Xie, C. Yang, K.K. Fu, Y. Yao, F. Jiang, E. Hitz, B. Liu, S. Wang, L. Hu, Flexible, Scalable, and Highly Conductive Garnet-Polymer Solid Electrolyte Templated by Bacterial Cellulose, Advanced Energy Materials, 8 (2018) 1703474.

[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.

本文由材料人專欄科技作者一諾供稿，編輯部編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.