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不含一滴胶!南京大学双院士团队研发 “超构木材”

  • 2026-08-09 13:04:12
不含一滴胶!南京大学双院士团队研发 “超构木材”
近日,南京大学祝世宁院士、陈延峰院士和祝名伟教授合作的研究团队在生物基材料领域取得突破性进展,成功研发出一种名为“超构木材”(Meta-wood)的新型各向同性大块结构材料。这种材料完全由植物纤维构成,在制造过程中不添加任何化学胶水或粘合剂。研究人员通过诱导植物纤维发生溶胀扭转,形成三维机械互锁网络,并在毛细管力驱动的干燥过程中,利用密集的氢键实现纤维间的界面融合。最终制备出的“超构木材”密度高达1.48 g/cm³,不仅具备87.9 MPa的超高拉伸强度和媲美工程塑料的硬度,还展现出优异的半透明光学特性、耐水耐热性以及出色的阻燃性。更重要的是,它完美保留了纤维素的天然可降解性,碳排放与制造成本均远低于传统石油基塑料。这项研究为短植物纤维的高值化利用提供了通用策略,也为全生物基可持续材料开辟了全新道路。

背景与问题:如何不依赖粘接剂,实现高强

长期以来,材料的性能从根本上取决于其微观结构和成分。作为自然界最具代表性的天然高分子材料,植物(尤其是木材)凭借其良好的力学性能和丰富的自然储量,数千年来一直被广泛应用于建筑和制造领域。然而,随着现代工业的推进,木材逐渐被塑料、钢铁等合成材料所取代。这些合成材料虽然性能卓越、易于加工,但往往伴随着严重的化石资源消耗和难以逆转的“白色污染”问题。
为了实现可持续发展,科学家们一直试图将天然植物材料重新引入大规模的现代应用中。然而,天然木材的尺寸和形状受限于树木的自然生长,且具有强烈的各向异性(顺纹和横纹的力学强度差异巨大),难以满足复杂加工的需求。另一种思路是将植物纤维打碎后重新构建成新材料(如造纸或中密度纤维板),但纯植物微纤维之间仅靠微弱的氢键连接。如果不使用含有甲醛等有害物质的化学粘合剂,极难制造出高密度、高强度的块体材料。如何在不使用有毒胶水的前提下,让短小的植物纤维紧密结合并具备高强度,成为了该领域亟待解决的关键挑战。

新思路:“缠结-致密化-融合”的微观重构魔法

面对这一挑战,南京大学研究团队提出了一种颠覆性的微观结构调控策略,成功打造出无需任何添加剂、无需高温高压处理的“超构木材”。
研究团队的灵感来自于对植物纤维形态的拓扑重构。他们以纯净的滤纸纤维为初始原料,在温和的低温碱/尿素溶液中进行处理。这种溶剂发挥了奇妙的“双重效应”:首先,它能穿透纤维的无定形区,引发各向异性溶胀,释放细胞壁内部的应力,促使原本笔直的短纤维发生剧烈的螺旋扭转和弯曲;其次,它能蚀刻纤维表面的疏水角质层,暴露出大量富含羟基的新鲜界面。
随着大量纤维同时发生扭转,它们在空间中相互缠绕,形成了一个无处不在的三维机械互锁网络。在随后的自然干燥过程中,水分蒸发产生的强大毛细管力克服了物理阻碍,将互锁的纤维紧紧拉拽到一起。此时,纤维表面暴露的密集羟基形成了连续的氢键网络,甚至在相邻纤维间引发了分子级别的界面融合。通过这种“缠结-致密化-融合”的协同机制,松散的植物纤维被重塑成了一块致密的各向同性整体材料。

主要结论

这种独特的微观结构赋予了“超构木材”一系列令人惊叹的物理性能,打破了人们对植物纤维材料的传统认知。

1. 极高的致密度与机械强度

在干燥过程中,材料体积发生了4.62倍的剧烈收缩,最终密度达到1.48 g/cm³,几乎逼近固体纤维素的理论极限(1.60 g/cm³)。测试表明,“超构木材”的拉伸强度高达87.9 MPa,是普通纸张的5.4倍;其抗压强度达到203 MPa,弯曲强度为88.8 MPa。它的邵氏D硬度高达75.4,超越了大多数天然木材,触感和硬度甚至可以媲美聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)等常见工程塑料。

2. 优异的各向同性与加工性

由于其内部是随机交织的三维网络,“超构木材”打破了天然木材的各向异性,在各个方向上都表现出均匀的高强度。它可以像塑料一样被雕刻、切割、激光加工,甚至在成型前进行浇铸。打磨后的表面极其光滑,能呈现出玉石般的光泽。

3. 独特的光学与热学稳定性

亚毫米厚度下,“超构木材”具有约60%的透光率和超过90%的雾度,能产生强烈的均匀光散射效果,非常适合用作匀光材料。与遇热变软的普通热塑性塑料不同,“超构木材”在100℃下仍能保持稳定的机械性能,在170℃的高温下依然保留约40%的初始强度。此外,由于燃烧时表面能形成致密的炭化层阻隔氧气,它还具备比天然木材更强的阻燃性和自熄性。

4. 卓越的环保与经济效益

生命周期评估(LCA)显示,“超构木材”每公斤的全球变暖潜能值仅为4.288 kgCO₂当量,若实现试剂的工业闭环回收,该数值可进一步降至1.332 kgCO₂当量,远低于传统塑料。同时,它的生产成本低于PMMA、PA66等多种常用塑料,且在自然环境中可完全被生物降解。
Huang, Dafang, et al. "Sustainable Isotropic Meta‐Wood‐Materials by Topological Reconstruction of Plant Fibers." Interdisciplinary Materials (2026).

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  140. /wwwdata/wwwroot/b.460.net.cn/vendor/topthink/think-trace/src/Html.php ( 4.42 KB )
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  5. SHOW FULL COLUMNS FROM `set` [ RunTime:0.001506s ]
  6. SELECT * FROM `set` [ RunTime:0.000430s ]
  7. SHOW FULL COLUMNS FROM `article` [ RunTime:0.001380s ]
  8. SELECT * FROM `article` WHERE `id` = 602491 LIMIT 1 [ RunTime:0.000484s ]
  9. UPDATE `article` SET `lasttime` = 1786394138 WHERE `id` = 602491 [ RunTime:0.003617s ]
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