圖1 木質(zhì)房屋建筑。（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

不知從何時起，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……木屋總是各色風景區(qū)、度假村等的“標配”。

要建小木屋，首先必須要有木材。木材的特點是：輕質(zhì)高強，就是質(zhì)量輕、強度高。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，一棵樹的生長成材往往需要幾十年甚至上百年的時間，而且大規(guī)?？撤淠旧忠步o環(huán)境帶來了很大的負擔。此外，木材作為為一種建筑材料，有不耐腐蝕、易燃等缺點，這也限制了木材的大量使用。

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

只是，大自然經(jīng)過幾十億年的進化，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)。在這一點上，人工材料遠遠不如自然材料。

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

比如，聚合物基仿木頭材料，強度非常低，因此主要被用于細胞培養(yǎng)；而陶瓷基仿木頭材料要經(jīng)過超高溫燒結(jié)（通常>1500?C），但仍然密度大，缺陷多，強度低。

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

最近，中國科學技術(shù)大學就在這一領(lǐng)域取得了新的進展?？蒲腥藛T發(fā)展了一種冰晶誘導自組裝和熱固化相結(jié)合的新技術(shù)，以傳統(tǒng)的酚醛樹脂和密胺樹脂為基體材料，成功研制了一系列具有類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、耐腐蝕和隔熱防火等優(yōu)點。

圖2 仿生人工木材的制備過程示意圖和人工木材實物圖。

通過三維成像技術(shù)測出來的人工木頭的真實結(jié)構(gòu)，可看出其微觀結(jié)構(gòu)是取向的孔道

優(yōu)點一：輕質(zhì)高強

這種新型的樹脂基仿生人工木材，具有非常類似天然木材的取向孔道結(jié)構(gòu)。采用這種方法還可以復合多種納米材料以制備多功能復合人工木材，簡單高效，容易放大生產(chǎn)。它們具有突出的機械性能，力學強度優(yōu)于已開發(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。

優(yōu)點二：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，其力學強度均沒有衰減。

而得益于其取向孔道結(jié)構(gòu)和孔壁中復合的納米材料，與石墨烯復合的人工木材，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?？紤]到人工木材的高比強度（壓縮強度/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用性。

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

優(yōu)點三：防火性能

易燃性，是天然木材在實際應用中面臨的最大問題，而防火阻燃則是人工木材最大的優(yōu)點，而且通過復合不同的納米材料可以進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法克服的缺點。

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

作為一種新型的仿生工程材料，這類人工木材多功能性優(yōu)于傳統(tǒng)的工程材料，有望代替天然木材，實現(xiàn)在苛刻或極端條件下的應用，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。

文章來源：中國科學技術(shù)大學

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