一些木材品种，如橡木和枫木，以其强度而闻名。但科学家表示，一种简单且廉价的新工艺可以将任何类型的木材转化为比钢铁甚至某些高科技钛合金更强的材料。除了在建筑物和车辆中大放异彩外，这种物质甚至可以用来制造防弹装甲板。
木材资源丰富且成本相对较低——它真正在树上生长。尽管数千年来，木材一直被用来建造从家具到房屋和大型建筑的各种东西，但未经处理的木材的强度很少能与建筑中使用的金属相提并论。马里兰大学帕克分校的材料科学家梁兵胡表示，研究人员长期以来一直试图提高木材的强度，特别是通过压缩和“致密化”木材。但是，致密化的木材往往会变弱并弹回其原始尺寸和形状，尤其是在潮湿的环境中。
现在，胡和他的同事表示，他们找到了一种更好的方法来致密化木材，他们在2月7日的《自然》杂志上报告了这一发现。他们简单的两步工艺首先将木材在氢氧化钠 (NaOH) 和亚硫酸钠 (Na2SO3) 的溶液中煮沸，这是一种类似于造纸所用木浆第一步的化学处理。胡说，这部分去除了木质素和半纤维素（有助于加强植物细胞壁的天然聚合物）——但它基本上保留了木材的纤维素（另一种天然聚合物）。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅我们屡获殊荣的新闻报道，以支持我们。 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
第二步几乎和第一步一样简单：压缩处理后的木材直到其细胞壁塌陷，然后在轻轻加热时保持该压缩。压力和热量促进了大量氢原子和相邻纤维素纳米纤维中的相邻原子之间形成化学键，从而大大加强了材料。
结果令人印象深刻。胡说，该团队的压缩木材的密度是未处理木材的三倍，并补充说其抗撕裂性增加了10倍以上。它还可以在抗压性方面提高约50倍，刚度提高近20倍。致密化的木材也更硬、更耐刮擦和更耐冲击。它可以模制成几乎任何形状。也许最重要的是，致密化的木材也具有防潮性：在实验室测试中，暴露在极端湿度下超过五天的压缩样品膨胀不到 10%——在随后的测试中，胡说，简单的涂层就完全消除了这种膨胀。
一个由致密木材组成的五层类似胶合板的夹层结构可以挡住射入材料的模拟子弹——胡和他的同事认为这一结果可能导致低成本装甲的出现。该材料的保护效果不如相同厚度的凯夫拉尔板——但其成本仅约为后者的5%，他指出。
加州大学圣地亚哥分校的材料化学家刘平（未参与《自然》研究）表示，该团队的结果“似乎为一类新型轻质材料打开了大门”。汽车制造商经常试图通过从普通钢材转向高强度钢材、铝合金或碳纤维复合材料来减轻重量——但这些材料成本高昂，而且消费者“很少能从节省的燃油中赚回这些钱”，刘说。致密化的木材在碳纤维复合材料方面还有另一个优势：它不需要昂贵的粘合剂，而粘合剂也可能使组件难以回收，甚至无法回收。
德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所的材料科学家彼得·弗拉茨尔（未参与该研究）表示，致密化木材为天然木材过于薄弱的新设计可能性和用途提供了机会。“研究人员可以创建一种适合他们想要的设计的材料，而不是为手头的材料创建设计”，他说，他指的是航空航天工程师熟悉的流程，他们长期以来一直致力于开发更强的合金以满足他们的需求。
刘指出，广泛使用致密化木材的一个可能的障碍是工程师们扩大和加速生产工艺的能力。胡和他的团队花了几个小时制作了用于测试的每个咖啡桌大小的致密木材板。但胡认为，没有实际理由可以阻止该工艺加速或用于制造更大的组件。
尽管胡和他的团队一直致力于提高木材的强度，但其他研究人员一直在追求更不寻常的目标——例如使其透明。由斯德哥尔摩 KTH 皇家理工学院的材料科学家拉尔斯·贝格伦德领导的一个团队，提出了一种用木材制造窗玻璃的方法。该过程的第一步（就像胡的方法一样）是去除木质素，木质素不仅能使木材变硬，还会产生其棕色。研究人员将不含木质素的木材注入一种称为甲基丙烯酸甲酯 (MMA) 的聚合物，这种材料以商品名如有机玻璃和露西特而闻名。
由于 MMA 的折射率（衡量其弯曲光线的程度）与不含木质素的木材相匹配，因此光线会直接穿过注入 MMA 的复合材料，而不是在空细胞内部被反弹。这使得材料非常清晰。贝格伦德和他的团队在两年前的《生物大分子》中描述了他们的壮举。巧合的是，在同一时间，胡和他的同事也在开发一种方法来使木材变得透明。
像胡和贝格伦德的研究只能增加材料科学未来发展的无限前景。在不久的将来，我们或许可以住在几乎完全由地球上最丰富和用途最广泛的建筑材料之一制成的房屋中——从地板到椽子，从墙壁到窗户。在车库里，可能有一辆汽车，其底盘和保险杠可能由致密化木材而不是钢铁和塑料制成——敲木头保佑。
西德·珀金斯主要撰写关于地球和行星科学、材料科学和古生物学的文章，常驻田纳西州克罗斯维尔。