首次！他们用造纸的事理造出了比不锈钢还硬的木刀

到城市街头环顾一圈，你能创造多少木头做的东西？

你或许会看到不少树木，却没那么随意马虎找到由这些树木加工而来的东西：高楼大厦是钢筋混凝土做的；街上奔跑的汽车，外壳是金属做的，轮胎是橡胶做的；广告牌、海报横幅常日是塑料做的；栏杆和街灯灯柱也是金属做的……或许日常最常见的木制品，只有摆在家里的家具了。
一旦出了门，你或许只能在公园的景不雅观建筑中找到木制品的影子。

这样的情景让我们全然想象不到，实在木材是人类利用历史最悠久的材料之一。
原始人类靠着木头发展起了生火技能，中国古代的绝大部分建筑和车辆也是木构的，在当时的城市街头找到一件木制品实在是再大略不过了。
那么为什么木头在本日的利用范围远不及其他材料了呢？

一个主要缘故原由是木头的塑性太差了。
要想改变一块木头的形状，基本上只能靠切割、雕刻，远不及金属和塑料通过加热塑形来得方便。
因此在金属开采、加工技能，以及聚合物合成技能进步往后，许多须要加工出繁芜形状的场合就告别木材了。

然而木头有一个不可替代的上风：环境友好。
木材是可再生的，而且它的生产加工过程不会对环境产生大规模污染，这在今天地球环境变革的背景下显得尤其有代价。
比较之下，塑料难以降解，它的质料石油又是不可再生资源；而金属的开采、加工过程须要花费大量能源， 伴随着大量污染的产生。
因此，不少材料学家重新把目光投向木材，希望将它发展成金属和塑料的替代品。
不过要实现这一点，头一个要办理的问题是，如何让木头变得可塑呢？

要想让木头变得可塑，我们先要明白木头为什么这么“僵硬”。
植物的微不雅观构造可以给出线索。

植物的细胞包裹在细胞壁中，细胞壁紧张由纤维素（cellulose）、半纤维素和其他多糖组成，而它们之间的空隙被木质素（lignin）添补。
在植物的木质部（也便是可以称作“木头”的部分）中，细胞壁会经历木质化过程，个中的木质素沉积下来，增加了细胞壁的厚度，使得木质部得到较高的机器强度，足以支撑起全体植株。
可以说，木质素便是木头的“骨架”，它使得木头机器强度高到可以做房梁和柱子，却也使木头失落去了塑性，不随意马虎发生形变。

植物的微不雅观构造示意图。
（图片来源：Potters, G., et al., (2010) 3(9):14）

因此要想让木头变优柔，第一步便是去除木质素。
这个道理古人早就明白了，而且利用到一项我们熟习的工艺中：造纸。
无论是手工造纸还是工业造纸，拿到稻草、芦苇杆、木屑这些质料后，一样平常都要用化学方法去除个中的木质素，得到以纤维素为主的纸浆，再进行后续加工。
这种脱木质素过程（delignification）是改造木材的一种常用方法。

木头加工成纸张之后，形状可以轻易改变了，却也失落去了机器强度，无法承受大重量的冲压、拉扯，这使得纸张基本只能用于印刷和大略的包装。
想要让木头得到更广的运用，我们须要思考：能不能找到一种方法，在不丢失机器强度的条件下，让木头可以像纸一样折叠？

上周揭橥于《科学》（Science）杂志的一项研究负责探索了这个问题，来自美国马里兰大学的研究职员把造纸的第一步用到了天然木材的处理上。

但与造纸不同的是，首先，木材并没有被打碎成木浆，研究职员处理的是一块约3毫米厚的薄木板（作为比拟，一张A4纸的厚度约为0.1毫米）；其次，脱木质素过程并没有把全部的木质素去除，而是去除了大约55%的木质素和67%的半纤维素。
经由脱木质素过程和烘干处理后，研究职员得到了一块“压缩木头”。
由于失落去了木质素的支持浸染，木头中的维管和纤维构造坍缩挤压在一起，木头变得致密，依然僵硬、无法弯折。

接下来研究职员将压缩木头浸入水中约3分钟。
经历了这个被称为“冲水”（water-shock）的过程之后，压缩木头中的纤维构造依然是坍缩的，但维管构造重新打开了，让木头在微不雅观上有了空隙，也就有了形变的空间。
这样处理过后，研究职员得到了可以塑形的木头。
这种木头可以多次折半而不断裂，这意味着它可以像纸一样折叠成繁芜的形状。
而折叠成想要的形状后，只要在室温下晾干，可塑木头的形状就固定下来了。

从左到右依次为天然木材、压缩木材、经由冲水后的可塑木材及其微不雅观构造示意图 图片来源：Xiao et al., Science

晾干后的木头比天然木头拥有更高的机器强度。
据研究职员丈量，这种可塑木头沿木纤维方向的抗拉强度约为300兆帕，抗压强度约为60兆帕，分别是天然木材的6倍和2倍。
而且由于密度较低，可塑木头的比抗拉强度（抗拉强度与密度之比）大约是常用的5052铝合金板的5倍。
这意味着，在机器强度相同的情形下，用可塑木头做的构造要比铝合金做的轻得多。

图片来源：Xiao et al., Science 374, 2021:465–471

经由脱木质素处理的木头显现出如此巨大的潜力，既可以轻易改变形状，又拥有优秀的机器强度。
办理木头塑性的问题的同时，研究职员也很好奇，终极成型的木材可以拥有多么高的硬度？在稍早一些揭橥在《物质》（Matter）杂志的一项研究中，来自相同科研单位的研究职员探索了木头的硬度极限。

研究职员依然先对天然木材进行脱木质素处理，得到以纤维素为主的样品。
之后用热压机在室温和20兆帕的压力下对样品进行压缩，再加热到105℃进行烘干。
末了一步，将样品浸入食品级油中48小时，使木材表面得到防水性。
经由这样处理后，研究职员得到了“硬化木头”的样品。

这种硬化木头的硬度有多高呢？研究职员用硬化木头样品做了两把木刀，一把的木纤维走向与刀刃平行，另一把木纤维走向与刀刃垂直。
扫描电子显微镜成像显示，两种木刀都比普通钢制餐刀锋利得多。
经研究职员演示，这种硬化木刀可以轻易切开半熟的牛排。

除了木刀外，研究人还用硬化木头制作了木钉。
经抛光处理的硬化木钉可以将三块木板钉在一起，锋利程度可以与商用钢钉匹敌，并且不易生锈。
除了木刀和木钉外，硬化木头还可以用来制造地板和家具，更高的硬度使得这些产品更耐刮擦和磨损。

研究职员演示用硬化木钉钉木板。
（图片来源：Bo Chen）

无论可塑木头还是硬化木头，对加工条件的哀求都非常随意马虎知足。
个中的脱木质素处理在造纸厂中很常见，后续的干燥、冲水或压缩处理也相对随意马虎实现，不像金属的加工过程，常常须要达到上千度的高温。
这大大节约了生产过程中的能耗，也降落了这些新型木材投入量产的门槛。
而且木头质料极易获取、本钱低廉，如果这些木材广泛取代金属和塑料，我们有望以更低的价格买到各种生活用品。

马里兰大学材料学家的这两项研究，为可持续发展贡献了新的材料。
或许未来某一天，我们在城市街头会看到木制品取代了塑料和金属：汽车的外壳换成了更轻薄、坚硬的木头，街灯灯柱是木头制成的，和阁下的树木融为一体……不过，本日的研究只是办理了木头塑性和硬度的问题，要想让木制品大规模投产利用，还有更多问题有待办理：若何防止木头长真菌、生虫？木制品的防火性如何保障？我们期待未来的研究逐步办理这些问题，让木头这种古老的材料，再次改变我们生活的面貌。

撰文：白德凡

审校：十米

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg9556

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00465-3