南京林业大学杨蕊团队联合北京林业大学、四川大学等单位，提出了一种“氢键域重构”策略，成功制备出一种兼具高可塑性与优异尺寸稳定性的“高可塑木材”(Highly Moldable Wood, HMW)。该策略通过部分脱除木质素和半纤维素，暴露更多纤维素羟基，随后引入生物基环氧大豆油丙烯酸酯(AESO)进行真空浸渍，重构纤维间的氢键网络。AESO不仅与纤维素形成强氢键作用，还在纤维表面形成疏水保护层，显著抑制水分侵入，避免结构坍塌，扩大湿处理平台。在湿态下，HMW表现出优异的柔韧性，可进行折叠、卷曲、压印等复杂成型；干燥后，氢键网络重建，形状被永久固定。基于该材料，研究团队进一步制备了负泊松比蜂窝结构和其他机械超材料结构，展现出优异的低频隔声性能和结构稳定性，且全生命周期环境影响显著低于传统金属和塑料材料。

I氢键重构策略：从天然木材到高可塑木材

如图1所示，研究团队通过脱木质素处理，获得多孔的纤维素骨架，随后浸渍AESO树脂，重构纤维间的氢键网络。AESO在纤维表面形成保护层，既增强了材料的可塑性，又显著提升了其湿稳定性。该策略使得HMW可在低能耗条件下实现复杂3D塑形，如折纸、卷曲、压花等。

图1. HMW的制备流程、氢键重构机制与应用。

II 化学改性：实现氢键网络的动态重构

图2系统揭示了HMW的微观结构演变与化学机制。通过扫描电子显微镜(SEM)观察，天然木材(NW)呈现规整的多层多孔细胞结构；经过脱木质素处理(DW)后，木质素和半纤维素被部分去除，细胞壁变薄，出现更多微观孔隙。这一多孔结构为后续AESO树脂的浸渍提供了充足空间。当AESO浸渍浓度达到30 wt.%时，木材细胞腔被完全填充，细胞壁明显增厚，形成致密的复合材料结构。

傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析显示，DW在3340 cm⁻¹处的羟基吸收峰显著增强，表明脱木质素后更多羟基暴露；而HMW在1730 cm⁻¹处出现增强的C=O吸收峰，证实AESO成功引入并与纤维素形成氢键作用。X射线光电子能谱(XPS)进一步量化了这一变化：DW中C-O键比例较NW增加10%，为AESO提供更多结合位点；HMW中C-O键比例较DW下降23%，而C-C键比例增加31.5%，证实AESO与纤维素形成了稳定的界面结合。

2D-IR原位分析揭示了HMW在干燥过程中氢键网络的动态重构。随着水分蒸发，3340 cm⁻¹处的吸收峰强度逐渐降低，峰位向低波数移动12-18 cm⁻¹。通过峰位解卷积分析，强协同氢键的比例增加了14.33%，而自由羟基比例相应减少。这一变化直接证明了干燥过程驱动了氢键网络从弱键向强键的重构，形成了更稳定的纤维间结合，是HMW形状固定能力的微观基础。结合XPS与FTIR数据，研究团队提出了HMW的化学制备原理：脱木质素暴露羟基，AESO浸渍引入羰基，两者通过氢键重构形成稳定的三维网络结构，为材料的可塑性和尺寸稳定性奠定了化学基础。

图2. 微观结构与化学机制。

III 可塑性优化：多维度实验全面验证综合优势

图3通过多维度实验全面验证了HMW的优异可塑性。干态HMW因纤维间氢键网络紧密，折叠时易发生断裂(图3a)；而湿态f-HMW中，水分子进入纤维间隙，暂时破坏氢键网络，使纤维可相对滑动而不破裂，展现出优异的柔韧性(图3b)。X射线衍射(XRD)分析显示，NW的结晶度为61.72%，DW略增至63.06%，而HMW的纤维素I特征峰基本消失，仅在20.36°出现宽峰，表明AESO浸渍引入了大量无定形相，显著提升了材料的塑性。

力学测试证实，HMW的断裂应变显著高于NW和DW，体现出增强的塑性变形能力。在反复折叠测试中，HMW可承受2000次180°折叠而无明显损伤，远优于铝片(3次)和PET(267次)。经50次折叠后，HMW的拉伸强度仅下降6.75%，而铝片下降47.5%，PET下降14.57%。SEM观察显示，HMW折叠区域的纤维发生重新取向但无微裂纹，证明其通过氢键动态重构实现了塑性变形而不发生结构破坏。

差示扫描量热法(DSC)显示，传统可塑木材(MW)在加热过程中出现明显的水分蒸发吸热峰，而HMW的热流曲线平缓，表明AESO的疏水屏障有效降低了材料的吸湿性。动态热机械分析(DMA)进一步揭示，HMW在整个温度范围内的储能模量(E')和损耗模量(E")均显著高于MW，损耗因子(tan δ)在90°C附近出现明显阻尼峰，表明AESO形成的连续相增强了材料的振动能量耗散能力，在冲击吸收和噪声控制方面具有优势。图3n的性能对比雷达图直观展示了HMW在机械强度、疏水性和环境稳定性方面的综合优势，使其成为替代金属和塑料的理想候选材料。

图3. 可塑性能的验证。

IV 扩大湿处理平台：AESO构建的水分屏障

图4通过分子动力学模拟与多尺度实验，深入揭示了HMW尺寸稳定性的微观机制。分子动力学模拟构建了纤维素:半纤维素:木质素比例为29:4:1的体系，对比有无AESO存在下的水分子扩散行为。经50 ns模拟，AESO分子有效占据了纤维间的孔隙，形成物理屏障，使水分子扩散系数降低4%。低场核磁共振(L-NMR)分析证实，HMW中结合水含量显著低于DW，表明AESO的引入减弱了水分子与纤维素羟基的相互作用。

宏观尺寸稳定性测试显示，HMW的吸水膨胀率和干燥收缩率较DW分别降低81.28%和90.36%。随着AESO浸渍浓度从10%增至30%，尺寸稳定性逐步提升；但浓度达40%时，因溶液粘度过高导致浸渍不均，稳定性反而下降。水接触角测试中，DW在1秒内完全吸水，接触角为0°；而HMW在1分钟后水滴形态仍保持完整，接触角维持稳定，直观证实了其优异的疏水性能。

小角X射线散射(SAXS)揭示了材料纳米结构的演变。DW呈现各向异性的椭圆形散射图案，反映纤维定向排列；HMW的散射图案更均匀且强度更高，表明AESO在孔隙中形成了连续网络结构，提升了材料的各向同性。定量分析显示，HMW的比表面积较DW降低约35%，散射不变量降低约76%，证实AESO有效填充了纳米孔隙，形成了与纤维素紧密复合的连续相。这一纳米尺度的结构均匀化是HMW尺寸稳定性的物理基础。同时，展示了材料的耐酸碱性：72%浓硫酸滴加2分钟后，DW表面出现明显氧化变色，而HMW无明显变化；在10%硫酸和20%氢氧化钠中浸泡24小时后，HMW外观保持完好。这一系列证据共同证明，AESO通过重构氢键网络和形成物理屏障，有效保护了纤维素骨架，赋予HMW卓越的尺寸稳定性和化学耐受性，为其在极端环境下的应用奠定了基础。

图4. 尺寸稳定性与疏水机制。

V 超材料制备与声学应用：绿色声学结构的新选择

图5展示了HMW在机械超材料和声学结构领域的创新应用。利用HMW的可塑性，研究团队成功制备了两种负泊松比蜂窝结构(内凹六边形和双箭头形)以及手性超材料。在压缩测试中，这些结构表现出与传统材料相反的变形行为——压缩时横向收缩而非膨胀，直观验证了负泊松比效应。这一特性使HMW在能量吸收、抗冲击等方面具有独特优势。将HMW蜂窝结构与EVA薄膜组装成蜂窝薄膜声学结构，研究团队系统评估了其低频隔声性能。结果显示，三层叠加后，在200 Hz低频段隔声量达18 dB，而总厚度仅6.3 mm。这一性能优于厚度30-35 mm的聚氨酯泡沫和22 mm的环氧树脂填充铝蜂窝结构，同时密度比同等隔声性能的钢板低约80%。COMSOL多物理场仿真揭示了隔声机制，1600 Hz声压分布模拟显示，声波在三层结构中逐层衰减，每层提供额外的能量耗散路径。

同时，对比了材料成型的能耗：金属熔炼需1000°C以上，塑料注塑需200°C左右，而HMW仅需60°C烘干甚至室温干燥即可定型，能耗优势显著。生命周期评估(LCA)显示，HMW在温室效应、酸化、生态毒性、雾霾、富营养化等多个环境维度的影响值均显著低于PET和铝合金，展现出全生命周期的绿色优势。研究团队还提出了HMW的连续化生产方案，通过卷对卷压延成型，可实现大规模工业化生产，为绿色声学材料在高铁、航空航天、绿色建筑等领域的应用开辟了新路径。

图5. 超材料结构制备与声学应用。

VI 总结

本研究提出并验证了一种基于氢键重构机制的高可塑木材(HMW)制备策略，实现了木材在低能耗条件下的精密3D塑形与优异尺寸稳定性的统一。通过引入生物基AESO树脂，重构纤维间的氢键网络，赋予材料可编程的塑形能力和环境稳定性。研究进一步展示了HMW在机械超材料和声学结构中的应用潜力，证明其可作为金属和塑料的绿色替代材料，可广泛应用于航空航天、高速列车、绿色建筑等高要求工程领域。该工作为可持续先进制造提供了新思路，也为生物基材料在高端工程中的应用开辟了新路径。

杨蕊

本文第一作者及通讯作者

南京林业大学 副教授

▍主要研究领域

木材功能化改性、生物质复合材料、木质声学材料。

▍主要研究成果

现就职于南京林业大学材料科学与工程学院，博士生导师，主要从事木质声学材料与生物基先进功能材料的开发研究。主持两项国家自然科学基金与多项省部级项目，以第一作者及通讯作者发表高水平论文40余篇，获授权发明专利30余件。

▍Email：yangrui@njfu.edu.cn

姜帅成

本文通讯作者

北京林业大学  博士后

▍主要研究领域

(1)高性能胶黏剂；(2) 多功能木基材料；(3)仿生界面粘附。

▍主要研究成果

现为北京林业大学材料科学与技术学院博士后。获博士后创新人才支持计划A，主要从事无醛胶黏剂结构设计与应用基础研究，在Energy Environ. Sci.、Nano-Micro Lett.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等领域顶级期刊发表论文30余篇，授权发明专利10余件。

▍Email：jiangsc@bjfu.edu.cn

尧猛

本文通讯作者

四川大学 副研究员

▍主要研究领域

复合聚合物固态电解质设计研究、高压锂离子电池正极材料、复杂盐湖直接提锂技术开发。

▍主要研究成果

四川大学材料科学与工程学院副研究员。曾以第一作者或通讯作者身份在Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. EnergyMater.,Adv.Funct.Mater., Energy Stor. Mater以及Small.等高影响力期刊上发表了20多篇学术论文。作为负责人或主要研究者参与了三项国家自然科学基金项目、两项省部级研究计划以及一项企业资助的研究项目。

▍Email：yaomeng@scu.edu.cn

李建章

本文通讯作者

北京林业大学 教授

▍主要研究领域

木材胶黏剂、木基新材料。

▍主要研究成果

博士毕业于天津大学，现就职于北京林业大学材料科学与技术学院，主要从事环保型木材胶黏剂与木基新材料研究工作。主持完成/在研国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部“优秀青年教师资助计划”等课题30多项，发表论文380多篇，授权发明专利70余件。第一完成人获国家技术发明二等奖、高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)技术发明一等奖、梁希林业科学技术奖技术发明一等奖、北京市科学技术三等奖、北京市首届发明专利三等奖，第二、第三完成人获得省部级科技进步奖一等奖、二等奖多项奖项。

▍Email：lijzh@bjfu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部