What is it about?
木材是日常生活中最常用的材料之一，其具有向异性的细胞微观结构和独特的灵活性也引起了人们的极大得研究兴趣。大多数报道的基于木材结构设计的新材料通常无法达到应用所需的弹性和韧性，如具有精细微观结构和组成设计的碳基（通常是氧化石墨烯）细胞材料或灵活性较差的超高强度，如陶瓷基细胞单体。尽管通过有意识的结构设计，可以实现陶瓷和硬碳等刚性材料的超柔韧性，但对机械强度和稳定性的牺牲通常是必须付出的代价。在材料中同时实现这两种特性仍是该领域的一个挑战。 软木，具有其独特的柔韧性、弹性和可压缩性，是一种性能优良的木材。与普通的木材相比，除了天然木材的细胞通道结构的特征，软木具有独特的软木质素（~45 %）和刚性木质素（~22 %）。软木质素是一种具有熵弹性的长链脂肪酸大分子，赋予软木细胞壁极好的灵活性。刚性木质素是一种多酚非晶态聚合物，具有机械鲁棒性。这两种组分的均匀分布和相互交联酯键使软木同时具有机械柔性、坚固和稳定。这种由软/刚性的组合策略激发了一种实现同时具备机械的鲁棒性和灵活性材料制备的可行的方法。
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Why is it important?
近期，中国科学技术大学俞书宏院士团队受软木结构启发，设计了一种具有各向异性细胞结构的新型人造软木。通过模拟构建细胞壁中的软/刚性组件，分别选择丁腈橡胶和热固性刚性聚合物作为柔性组份和刚性组份；为保证界面稳定相容，以阴离子/非离子/阳离子表面活性剂为保护层的三层表面活性剂结构，将两种成分在溶液中封闭，形成稳定的柔/刚性乳剂；结合冷冻铸造和热后处理，构建柔性人工木头的各向异性材料。这种具有离散刚性相的独特结构不仅加强了软网络，而且避免了刚性相的脆性裂纹扩展。该文报道的人造软木具有优异的整体力学性能，包括在任意方向和角度（可压缩、弯曲、扭转和拉伸）的优异变形能力，高比强度、耐磨性和抗疲劳性，比天然软木和其他木材启发材料性能更好。此外，超柔性确保了人工软木的良好的可加工性，具有良好的兼容性。通过加入各种功能成分，如碳纳米管（CNT）的柔性的压电传感器。该工作以题为“Superflexible Artificial Soft Wood”的文章发表于Advanced Materials上。 受软木的启发，选择柔性长链分子结构的水基羧基丁腈橡胶弹性体（XNBR）作为软基质，选择三聚氰胺-甲醛树脂（MF）作为刚性基质。由于XNBR乳液是通过阴离子表面活性剂（十二烷基苯磺酸钠）来稳定，并且为了增加软成分和刚性成分之间的界面相互作用，通过添加一层非离子表面活性剂和一层阳离子聚合物壳聚糖，设计了三层表面活性剂结构，生成稳定的柔/刚性混合乳剂。壳聚糖不仅有助于XNBR和MF聚合物在去除冰晶后克服重力诱导沉积，并且为MF和XNBR共价桥接。 软/刚性设计和排列的细胞通道，使得人工软木可以具有超的灵活性和弹性，以及夸张的广角变形。沿着与通道平行的平行方向和垂直方向，这个整体可以完全从压缩中恢复过来。当沿着通道方向被压缩时，墙壁被局部弯曲和挤压成皱纹，而在垂直方向压缩，细胞状空腔只是缩小，细胞壁接触。这两种变形在卸载后都可以完全恢复。 由于软/刚性的组合设计和惊人的广角灵活性，人造木材可以很容易地切割或钻成任何形状进行定制。此外，刚性MF显著降低了橡胶成分的粘性，这有助于良好的机械强度和抗疲劳性。较厚的壁和更刚性的组件导致更高的机械强度，但在脆性材料的范围内，由于在压缩过程中出现裂纹，导致不可逆的塑性变形和降低柔软性。该材料的轴向抗压屈服强度（密度为350~400 mm cm-3）可以达到接近balsa木材的强度（~9 MPa），弹性模量为~490MPa。该材料还具有优良的抗疲劳性，即使经过1000次循环试验，几乎没有应力损失（<3%）和塑性变形（<2%）。
Perspectives
由于人工软木材料优良的鲁棒性和灵活性，该材料可以成为一种优秀的柔性导体候选基底。在加入碳纳米管（CNT）后，可以很容易地制备出可导电人造木材。在掺入CNT 后的力学曲线与原材料的力学曲线基本相同。碳纳米管在细胞壁内均匀分布，保证了良好的导电性。碳纳米管被聚合物基质粘合良好，不担心在操作和使用过程中发生摩擦、脱落或意外吸入的风。该材料可以作为具有广泛的应力检测范围传感器。轴向的最小应力检测极限约为250 Pa，电阻变化为~0.5%，径向变化为500 Pa，电阻变化为0.1%。虽然径向具有较高的应力敏感性，但轴向可以检测到较小的应力。其检测上限~230KPa（可逆检测应力ε = 40 %，极值可以~ 300 KPa）宽检测范围跨越四个数量级（从250 Pa到230000Pa），高于许多报道应力传感器基于氧化石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、Mexene等。 通过模拟天然软木的软/刚性成分，设计了一种具有优异的机械柔韧性和良好的机械坚固性的人造软木。选择弹性橡胶和热固性刚性聚合物分别作为柔性和刚性成分。通过设计三层表面活性剂稳定的软刚性乳剂和冷冻干燥和热固化后的微尺度反相，提高了两种组合物的相互相容性。这种独特的结构不仅具有离散的刚性相位加强了软网络，同时也避免了刚性相的脆性裂纹扩展。因此，人工软木具有优异的整体力学性能，包括在任意方向和角度（可压缩、拉伸、弯曲和扭转）上具有良好的变形能力，高比强度、耐磨性和抗疲劳性，超过了天然软木和大多数木材灵感材料。此外，通过将碳纳米管掺入人造软木种，实现了一种柔性和弯曲不敏感的柔性应力传感器，证明该材料在可穿戴设备和软机器领域具有良好的应用前景。
Research Associate Zhiyuan Ma (马致远)
Yongjiang Laboratory
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This page is a summary of: Superflexible Artificial Soft Wood, Advanced Materials, July 2023, Wiley,
DOI: 10.1002/adma.202303518.
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