研究背景

提起“木头大王”，学术界几乎无人不知，他就是胡良兵，马里兰大学帕克校区教授，博士生导师，先进材料与纺织中心主任（CAPT）。已在Science, Nature, ACS Nano, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chemical Reviews, Nano Letters等顶级英文期刊上发表学术论文200余篇，被引用超过15,000次。国际会议特邀报告70多次。

胡良兵有着物理学和材料的研究背景，交叉学科优势明显。2002年毕业于中国科技大学少年班应用物理学专业，2002-2007年，在美国加州大学洛杉矶分校攻读博士学位，师从George Gruner教授；2006年，创立Unidym Inc公司，并工作至2009年；2009-2011年，在美国斯坦福大学著名华裔科学家崔屹课题组做博士后；2016年至今，美国马里兰大学终身教授。

胡良兵的木头会呼吸。2013年，胡良兵将木头用于钠电池；2016年，胡良兵成功做出透明的木头玻璃窗，颠覆了我们对木头的传统认知。后来，木头在胡良兵的手上被玩出了花样，经他手的木头会变成电解质、水凝胶、海绵、衣服，也会变成Li-CO₂电池、锂氧电池、太阳能、超级电容器、电催化的重要部件，创新性与实用性兼具，是名副其实的“木头大王”。

材料的形状与其内在特性一样重要。例如，结构部件必须由能够在不牺牲机械强度的情况下物理成型以满足特定需求的材料制成。此外，同样轻质的材料对于基于车辆的应用(例如，汽车、火车和飞机)特别有价值，因为减轻重量的措施可能是提高燃料效率的最直接的方法。由于这些原因，聚合物和一些金属，例如铝(Al)，被用于机械支撑，因为它们具有低密度和易于加工的特点，通过不同的方法，例如挤压、铸造和注射成型，可以制成各种形状和尺寸的轻质结构部件。然而，需要开发更可持续的材料来降低石化塑料的环境成本和金属的能源成本。 

木材是替代这些轻质结构材料的潜在候选材料之一，特别是考虑到其作为可再生资源的优势。木制品可以通过替代碳密集型化石燃料材料以及提供长期碳储存来帮助缓解气候变化。木材机械强度高，重量轻，潜在成本低。已经证明了各种方法可以改善木材的性能和功能，以用于更广泛的应用，包括脱木素、致密化和其他改性如热处理、有机或无机盐浸渍等。也就是说，与金属和塑料相比，它的成形性通常较差，这使得将它加工成复杂的形状变得困难。

研究成果

更加令人赞叹的是，就在前一日，胡良兵教授和布朗大学齐月教授等人在Nature上发表了题为“Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries”的重磅成果，报告了通过分子通道工程实现高性能固体聚合物离子导体的一般策略。该策略基于扩展分子间聚合物结构和将Li⁺传输与聚合物链段松弛解耦，从而导致高离子导电性。两天内连发Nature、Science，太厉害了！

图文速递

图1. 通过部分脱木素结合“水冲击”工艺的起皱细胞壁工程策略，使木材更坚固和可塑

图2. 天然木材、皱缩木材和可塑木材的微观结构

作者报道了一种自上而下的方法，通过这种方法，木材可以被加工成各种形状，同时也大大提高了其机械强度。主要概念是基于部分脱木质素和软化天然木材，然后通过干燥收缩其导管和纤维，随后在水中“冲击”材料以选择性地打开导管(图1A)。这种快速的水冲击过程形成了一种独特的部分开放、褶皱的细胞壁结构，为压缩提供了空间，并能够承受高应变，使材料易于折叠和成型。用这种可模压的木材可以获得不同的形状和结构，形成最终的三维模压木制品(图1B)。

这种细胞壁工程工艺保持了固有的各向异性木材结构，并增强了木材纤维之间的相互作用，以进一步提高机械强度。例如，作者展示了用木质单板(使用卷对卷旋转切割生产)制造蜂窝芯材，其拉伸强度约为300兆帕，类似于铝合金，但密度仅为约0.75克/立方厘米，成本可能更低(图1、B和C)。这种细胞壁工程方法适用于各种硬木物种，并通过水冲击过程实现，该过程将木材作为轻质结构材料的能力从传统的平面结构扩展到具有更大多功能性的复杂三维设计和组件。操纵木材的各向异性结构将提高其作为传统上仅限于聚合物、金属和聚合物复合材料的可持续和实用替代品的潜力(图1C)。

图3.使用细胞壁工程工艺将3D模制木材加工成各种形状

图4.三维模压木材的机械性能和生命周期评价，用于坚固、轻质的结构设计

结论与展望

在这项工作中，作者展示了细胞壁工程如何使木材可折叠和模塑，同时提高其机械性能，赋予木材以前仅限于塑料和金属的结构多功能性。3D模制木材作为一种可持续材料也具有一些优势，与铝合金相比，其潜在的环境影响更低。当3D模制木材用作车辆和飞机的轻质结构材料时，还可实现显著的燃油节约和相应的环境效益。此外，与塑料和金属相比，木制品具有更大的碳储存能力，这是政府间气候变化委员会为缓解全球变暖而认可的。此外，木材加工性和功能性的进步可以促进更好的森林管理实践。除椴木外，其他阔叶树种和不同树龄和生长位置的木材可通过相同的处理用于制造3D模制木材，这表明这种方法对阔叶材的普遍性及其广泛应用的潜力。木材细胞壁工程可以大大扩展这种可持续和高性能材料的多功能性，使木材成为结构应用中塑料和金属的潜在替代品。

文章链接

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

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