​中科大俞书宏院士：Emerging Bioinspired Artificial Woods崭露头角的仿生人工木材

What is it about?

木材——源于树木，作为一种丰富的自然资源，从原始的建筑材料到现代的高附加值工程材料，已发展了数千年。木材具有独特的精密微结构和优异性能（如低密度、高强高韧、可再生可循环性），同时也启发研究人员创造出各种仿木头材料。鉴于此，中国科学技术大学俞书宏院士团队系统性地阐述了仿生人工木材的概念，并对其机理、调控和应用，做了深入的讨论和展望。 木材内部具有数十微米的取向孔道，使木材具有高孔隙率和低密度，同时有助于提高机械强度，特别是在平行于孔道的方向上。孔壁在机械性能中也起着关键作用，其主要由化学交联的无定形多酚聚合物（即木质素）组成，赋予了木材刚性。

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Photo by Elimende Inagella on Unsplash

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Why is it important?

人工木材的制备包括两个要点，孔道和孔壁。取向孔道完全可以通过冷冻铸造得到，但是现有的聚合物仿木材的强度却远远达不到天然木材的强度，究其原因是线性聚合物分子网络的本征强度不高。基于此设计原则，俞书宏院士团队在2018年研发出强度堪比天然木材的人工木材（抗压强度高达45MPa），该人工木材以刚性聚合物酚醛树脂、密胺树脂为基体材料，同时兼具防火隔热与耐腐蚀等优异性能。相关工作见 Science Advances 2018, 4, eaat7223。 通过控制初始冷冻温度、冷冻速率与基体材料的浓度，研究人员可以轻易控制孔径的大小，以及孔壁的厚度，以实现不同应用场景的需求。 由于在微观结构设计和化学成分选择方面存在无限的可能性，因此人造木材有望为我们带来诸多可能的应用，如轻质高强材料、物质定向运输、隔热防火等。 为了复刻木材的微观结构并获得令人满意的机械性能，设计时应同时考虑孔道和孔壁。通过冻结浇铸构筑孔道已是最常用技术，因此孔壁应引起更多关注。孔壁是具有刚性链段的高度化学交联的聚合物网络，在决定人造木材的机械性能和其他物理性能方面起着重要作用。然而，由于目前聚合物基体材料的选择非常有限，因此迫切需要开发更好的方法来有效地将聚合物与孔道构筑结合起来。此外，还需要具有刚性链段的可生物降解或可回收的聚合物。此外，针对冷冻铸造，由于能耗与效率较低，如何实现工业化生产，还有很长的路要走。 从基体材料来看，大多数工程聚合物基本上都是化石燃料衍生的塑料，天然情况下难以降解，会对环境产生恶劣的影响。寻找环保材料势在必行。有两种方法可以实现最终目标（具有良好机械性能、完全可生物降解的人造木材）。首先，从生物质材料开始，利用新颖的技术将这些灵活的生物分子组装成坚固的人造木材；或者，将工程聚合物改性为可生物降解或可回收的聚合物，但不以显著牺牲机械性能为代价。目前，第二个最佳选择似乎更为可行，因为已证明某些热固性聚合物可回收，即所谓的“Vitrimers”。

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