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  森林覆蓋了地球上30％以上的土地，并提供了可再生和可持續(xù)的資源。木材已經(jīng)被人類社會(huì)在一些領(lǐng)域使用了數(shù)千年，包括建筑、家具、工具以及用作燃料。2017年，木材的年工業(yè)生產(chǎn)量約為38億立方米。作為一種來源豐富的可再生材料，木材在人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展中扮演不可或缺的角色，特別是在廣泛的產(chǎn)品和應(yīng)用中替代不可再生的石油基材料。多種因素推動(dòng)了木材的廣泛使用，包括減少碳排放，緩解能源和水安全的危機(jī)，以及對(duì)可持續(xù)工業(yè)增長的渴望。由于來源豐富，木材可以很好地滿足社會(huì)對(duì)低成本和高性能復(fù)合材料的需求，并且對(duì)環(huán)境的影響非常小。這些基于木材的材料包括僅包含木質(zhì)成分的生物基復(fù)合材料和包含木材以及其他非木質(zhì)成分（例如聚合物和有機(jī)或無機(jī)化合物）的復(fù)合材料。

  近年來新型木材基功能材料的設(shè)計(jì)與制備領(lǐng)域出現(xiàn)了一系列具有突破性創(chuàng)新的研究成果，包括超強(qiáng)木頭（Nature, 2018）、自發(fā)輻射散熱木頭（Science, 2019）、透明木頭（Advanced Materials， 2016）、低熱收集木頭（Nature Materials, 2019）、隔熱木頭（Science Advances， 2018）、海綿木頭（ACS Nano， 2018；Chem， 2018）、柔性木頭（ACS Applied Materials & Interface, 2017）等新型木材基功能材料，吸引了社會(huì)廣泛的關(guān)注和興趣，被全球主流媒體廣泛報(bào)道。

  鑒于在木材基功能材料領(lǐng)域的創(chuàng)新工作和積累，近日，馬里蘭大學(xué)帕克分校胡良兵教授，馬里蘭大學(xué)帕克分校李騰教授、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Ingo Burgert教授、瑞典皇家理工學(xué)院Lars Berglund教授、英國布里斯托大學(xué)Stephen J. Eichhorn教授等國際木材科學(xué)領(lǐng)域的專家共同合作在《自然綜述：材料》（Nature Reviews Materials）期刊撰寫了題目為“Structure–property–function relationships of natural and engineered wood”的綜述論文。論文第一作者為胡良兵教授團(tuán)隊(duì)和李騰教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合博士后陳朝吉，其他共同作者包括馬里蘭大學(xué)況宇迪博士和朱書澤博士(現(xiàn)為浙江大學(xué)航空航天學(xué)院百人計(jì)劃研究員)。

  該論文系統(tǒng)性概述了木材的結(jié)構(gòu)和組成以及改性策略。然后探索了木材的固有屬性，這些屬性源自其分層的多孔、各向異性的結(jié)構(gòu)和木質(zhì)纖維素成分。文章進(jìn)一步討論了木材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改性和功能化應(yīng)用方面的原則和近年來該領(lǐng)域取得的進(jìn)展，重點(diǎn)討論了通過各種結(jié)構(gòu)成分改性賦予木材的機(jī)械、離子、流體、光學(xué)和熱學(xué)性能。文章還討論了先進(jìn)的木材表征技術(shù)和計(jì)算模擬建模方法，以期加深對(duì)木材結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的理解，進(jìn)而知道木材的改性與功能化。最后，文章探討了木材研究和產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)、機(jī)遇和未來的研究方向，特別是利用木質(zhì)材料以可持續(xù)的方式應(yīng)對(duì)全球挑戰(zhàn)。

木材的分級(jí)結(jié)構(gòu)和組分

  木材具有獨(dú)特的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)（圖1），主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。細(xì)胞作為木材基本結(jié)構(gòu)單元，一般為中空結(jié)構(gòu)，其細(xì)胞壁主要包含定定向組裝的纖維素纖維，這些纖維素纖維被半纖維素和木質(zhì)素緊密包裹。這樣的分級(jí)取向結(jié)構(gòu)為木材提供了許多獨(dú)特的性質(zhì)和廣泛的改性和功能化空間。

圖1.木材的分級(jí)結(jié)構(gòu)、組分及各向異向性。

木材的改性策略

  得益于木材復(fù)雜的分級(jí)結(jié)構(gòu)和豐富的組分，人們可以通過物理、化學(xué)或者多種方式結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)行基于宏觀尺度到圍觀尺度的結(jié)構(gòu)改性（圖2），從而豐富其性能和功能，提高其在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的性能甚至開發(fā)出新的功能，以滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)可持續(xù)功能材料不斷增長的需求。

圖2.木材的多種改性策略

木材的改性和功能化應(yīng)用

  接著，文章通過以下幾個(gè)方面詳細(xì)闡述了木材基功能材料在結(jié)構(gòu)材料、能源、環(huán)境、納米離子流體器件、光管理、熱管理等領(lǐng)域的應(yīng)用：

（1）輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料。

圖3.木材基輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料

（2）基于多尺度物相傳輸?shù)膬?chǔ)能、環(huán)境修復(fù)及納米離子流體應(yīng)用。

圖4.木材基材料的多尺度物相傳輸及其在儲(chǔ)能、環(huán)境修復(fù)及納米離子流體領(lǐng)域的應(yīng)用

（3）光管理。

圖5.木材基材料的光管理應(yīng)用

(4)熱管理。

圖6.木材基材料的熱管理應(yīng)用

先進(jìn)表征及計(jì)算模擬

  文章進(jìn)一步討論了先進(jìn)的表征技術(shù)和計(jì)算模擬方法如何幫助人們了解木材基材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和性能，以及如何輔助人們對(duì)木材的改性和功能化。

圖7.對(duì)木材基材料的先進(jìn)的表征技術(shù)和計(jì)算模擬方法

總結(jié)及展望

  文章最后探討了木材基功能材料研究和產(chǎn)業(yè)化所面臨的一些挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向：

• 1）低成本、綠色和可擴(kuò)展的木質(zhì)材料生產(chǎn)；

• 2）綜合評(píng)估及提高木材基功能材料的穩(wěn)定性；

• 3）進(jìn)一步提高木材基功能材料的性能及拓展新的應(yīng)用；

• 4）通過基因工程對(duì)木材結(jié)構(gòu)及組分進(jìn)行改性；

• 5）通過3D打印等先進(jìn)制造技術(shù)合成具有仿生木材結(jié)構(gòu)的人造木頭；

• 6）開發(fā)更加先進(jìn)的表征技術(shù)和計(jì)算模擬方法，突破現(xiàn)有技術(shù)時(shí)間和空間上的極限，進(jìn)行更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)表征和模擬；

• 7）高通量計(jì)算及人工智能輔助木材批量改性和功能化開發(fā)；

• 8）林業(yè)資源的合理利用和管理，評(píng)估木材功能材料產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會(huì)影響。

  盡管新型木材基功能材料的研發(fā)和應(yīng)用還處于初級(jí)階段，基于全球持續(xù)的木材研究和產(chǎn)業(yè)化努力，有理由相信它們的大規(guī)模應(yīng)用將會(huì)實(shí)現(xiàn)，并服務(wù)于日常生活和人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

  論文連接：https://www.nature.com/articles/s41578-020-0195-z

  DOI: https://doi.org/10.1038/s41578-020-0195-z