圖1 木質(zhì)房屋建筑。（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

不知從何時(shí)起，人們就潛移默化地把“小木屋”和“休閑”“度假”聯(lián)系到了一起，不管是茂密的林間，還是空曠的海邊、銀色的雪地……木屋總是各色風(fēng)景區(qū)、度假村等的“標(biāo)配”。

要建小木屋，首先必須要有木材。木材的特點(diǎn)是：輕質(zhì)高強(qiáng)，就是質(zhì)量輕、強(qiáng)度高。所以，很多的房屋、橋梁都大量使用了木材這種材料。特別是在我國(guó)古代，很多古建筑都是木質(zhì)結(jié)構(gòu)。

可是我們知道，一棵樹(shù)的生長(zhǎng)成材往往需要幾十年甚至上百年的時(shí)間，而且大規(guī)?？撤?shù)木森林也給環(huán)境帶來(lái)了很大的負(fù)擔(dān)。此外，木材作為為一種建筑材料，有不耐腐蝕、易燃等缺點(diǎn)，這也限制了木材的大量使用。

不過(guò)這也難不倒聰明的人們，既然天然的木材需要“省著點(diǎn)用”，那為何不考慮一下人工木材呢？所以科學(xué)家們也在努力尋找木材的替代品。

只是，大自然經(jīng)過(guò)幾十億年的進(jìn)化，生物材料的結(jié)構(gòu)和功能都已臻至完美，它們往往是用最少的材料構(gòu)建出最精妙有效的結(jié)構(gòu)。在這一點(diǎn)上，人工材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如自然材料。

市面上的一些人造木，僅僅是模仿木材紋理的復(fù)合塑料，不僅強(qiáng)度與天然木材相差甚遠(yuǎn)，而且易燃。已經(jīng)報(bào)道的一些仿木頭材料也是“徒有其型”，雖然具有類(lèi)似木材的取向孔道結(jié)構(gòu)，但強(qiáng)度很低。

比如，聚合物基仿木頭材料，強(qiáng)度非常低，因此主要被用于細(xì)胞培養(yǎng)；而陶瓷基仿木頭材料要經(jīng)過(guò)超高溫?zé)Y(jié)（通常>1500?C），但仍然密度大，缺陷多，強(qiáng)度低。

因此，如何制備真正具有“輕質(zhì)高強(qiáng)”特點(diǎn)的仿木材結(jié)構(gòu)材料，是仿生材料研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。

最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)就在這一領(lǐng)域取得了新的進(jìn)展。科研人員發(fā)展了一種冰晶誘導(dǎo)自組裝和熱固化相結(jié)合的新技術(shù)，以傳統(tǒng)的酚醛樹(shù)脂和密胺樹(shù)脂為基體材料，成功研制了一系列具有類(lèi)似天然木材取向孔道結(jié)構(gòu)的新型仿生人工木材。而這一系列的仿生人工木材，就具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕和隔熱防火等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 仿生人工木材的制備過(guò)程示意圖和人工木材實(shí)物圖。

通過(guò)三維成像技術(shù)測(cè)出來(lái)的人工木頭的真實(shí)結(jié)構(gòu)，可看出其微觀結(jié)構(gòu)是取向的孔道

優(yōu)點(diǎn)一：輕質(zhì)高強(qiáng)

這種新型的樹(shù)脂基仿生人工木材，具有非常類(lèi)似天然木材的取向孔道結(jié)構(gòu)。采用這種方法還可以復(fù)合多種納米材料以制備多功能復(fù)合人工木材，簡(jiǎn)單高效，容易放大生產(chǎn)。它們具有突出的機(jī)械性能，力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)于已開(kāi)發(fā)的多種仿木結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，且與天然木材性能相當(dāng)。

優(yōu)點(diǎn)二：耐腐蝕、隔熱

與天然木材相比，仿生人工木材最大的優(yōu)勢(shì)在于其耐腐蝕性、隔熱和防火性能。比如其具有耐腐蝕性，科研人員把這些仿生人工木材放在水和硫酸溶液中浸泡30天，其力學(xué)強(qiáng)度均沒(méi)有衰減。

而得益于其取向孔道結(jié)構(gòu)和孔壁中復(fù)合的納米材料，與石墨烯復(fù)合的人工木材，具有很好的徑向（即垂直于孔道方向）隔熱效果，其隔熱效果優(yōu)于天然木材和商業(yè)的保溫泡沫材料等。考慮到人工木材的高比強(qiáng)度（壓縮強(qiáng)度/密度），這種人工木材比其他工程材料和氣凝膠材料具有更好的實(shí)用性。

圖3 天然木材與不同的仿生人工木材的結(jié)構(gòu)對(duì)比。（A-C）天然巴爾杉木；（D-F）酚醛樹(shù)脂基人工木材；（G-I）密胺樹(shù)脂基仿生人工木材；（J-L）酚醛樹(shù)脂/石墨烯復(fù)合人工木材。

優(yōu)點(diǎn)三：防火性能

易燃性，是天然木材在實(shí)際應(yīng)用中面臨的最大問(wèn)題，而防火阻燃則是人工木材最大的優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)復(fù)合不同的納米材料可以進(jìn)一步提高其防火隔熱性能。這種人工木材具有很好的防火性能，在火焰引燃后能夠迅速自熄滅，而這正是天然木材無(wú)法克服的缺點(diǎn)。

圖4 人工木材的防火性能和巴爾杉木的易燃性對(duì)比。（a）密胺樹(shù)脂人工木材，（b）酚醛樹(shù)脂人工木材，（c）酚醛樹(shù)脂/石墨烯復(fù)合木材，（d）天然巴爾杉木。

作為一種新型的仿生工程材料，這類(lèi)人工木材多功能性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)的工程材料，有望代替天然木材，實(shí)現(xiàn)在苛刻或極端條件下的應(yīng)用，例如極地低溫環(huán)境等。此外，這種合成方法為制備和加工一系列高性能仿生工程材料也提供了新的思路。

文章來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

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