南京大学祝世宁院士&陈延峰院士&祝名伟教授团队IM:植物纤维重构的可持续新材料——超构木材

面对全球生态环境压力加剧、石油资源日益紧缺的双重挑战，开发高性能、全生物基、可完全降解的可持续材料，替代传统石油基高分子与高能耗结构材料，已成为材料科学领域的重要发展方向。天然植物纤维作为地球上储量最丰富的可再生高分子资源，凭借来源广泛、可生物降解、全生命周期低碳排放等天然优势，始终是绿色材料研发的主要原料体系。从沿用数千年的天然木材，到现代社会广泛应用的纸张与纤维板材，植物基材料的应用边界不断拓展；但面对现代工程领域对高性能、均一性、可定制化的要求，天然植物材料的固有瓶颈也日益凸显。

作为应用最广泛的天然植物基结构材料，木材依靠细胞壁内纤维素微纤丝的有序排列与分级多孔结构，天然具备优异的比强度与韧性。近年来，以脱木质素-热压致密化为核心的“超级木材”等改性技术，大幅提升了天然木材的力学性能，使其强度可与部分轻质金属材料媲美，充分验证了植物基材料的性能潜力。然而，这类自上而下的整块改性方案始终未能突破天然木材的本征局限：纤维沿树木生长方向高度取向，导致力学、物理性能存在显著各向异性；同时材料的尺寸、形态严格受树木生长限制，难以实现灵活的结构定制与规模化批量生产。

相比于上述对天然木材进行自上而下改性的思路，以植物短纤维为结构单元进行自下而上的材料重构，是更具灵活性与普适性的技术路线，传统纸张便是该思路的典型应用。但纯植物短纤维间仅依靠弱氢键相互作用，在无外加胶黏剂的条件下，无法形成致密、高强度的块体材料；而市售人造板材、纤维制品等普遍依赖合成树脂粘接，不仅存在甲醛释放的环境与健康风险，也破坏了植物基材料的全生物自然降解属性。不依赖粘接剂的条件下如何实现植物纤维间的强的相互作用，成为制约全植物基块体材料开发的瓶颈问题。

本文提出一种植物纤维拓扑重构新策略，成功制备出仅以纯植物纤维为单一原料获得的高性能块体新材料——超构木材（Meta-Wood）。该材料通过“形貌调控-机械互锁-毛细管致密化-界面融合”的协同机制，在温和条件下实现了无胶条件下纤维间的强相互作用，获得了可完全自然降解的致密块体新材料，为研发植物纤维基可持续材料提供了全新的实现思路和技术路径。

图1.（A）植物纤维通过重构形成新材料（数码照片）。（B）所得超构木材呈现类塑料光泽，最终形成具有高密度三维微观结构的新型材料。（C）植物纤维初始状态的示意图。（D）植物纤维发生螺旋扭转和轴向弯曲，同时伴随表面角质化层的蚀刻以及羟基密度的显著增加。（E）纤维形态转变后形成三维机械互锁结构的示意图。（F）最终由蒸发诱导毛细力驱动的干燥致密化过程示意图，该过程通过氢键网络实现纤维间的界面融合。（G–J）扫描电镜图像显示，植物纤维从（G）笔直的植物纤维转变为（H）处理后的扭转/弯曲形态，从而实现（I）纤维间互锁以及（J）最终组成互锁纤维聚集体。