自鉆木取火以來，木材就在人類生活中發揮重要地位。豐富的資源和相對低廉的成本使得木材被廣泛應用于造船、建筑和家具等等。長期以來，科學家一直嘗試將木材應用到現代化先進制造過程領域，以取代鋼鐵、合金等高成本高污染的人工合成材料。

問題在于：木材密度較低，力學性能難以滿足許多工程建設要求，對木材的簡單密實化處理，也往往效果不佳。

科學家已經開發出一種新型的“超級木材”，其強度是普通木材的10倍以上，這種新型木材可能成為鋼鐵和其他材料的天然廉價替代品。

這種超級木材的制作關鍵是一種特殊的化學處理，然后經過加熱壓縮的過程。由此產生的化學鍵使木材變得足夠堅固，未來可能用于建筑物和車輛。

“這種處理木材的新方法使木材的強度是天然木材的11倍，硬度是天然木材的10倍。”來自馬里蘭大學的高級研究員Liangbing Hu說:“它可能成為鋼鐵，甚至鈦合金的競爭對手，它不僅堅固耐用，而且也便宜得多。”

來自馬里蘭大學的Teng Li補充道:“這是一種既強硬又堅韌的組合，這種組合在自然界中并不常見，它和鋼一樣結實，但比鋼要輕上六倍。”

美國馬里蘭大學Liangbing Hu和Teng Li團隊報道了一種新型的密實化處理工藝，可以使天然木材強度提高11倍，密度提高3倍，比強度達到422.2 ± 36.3 MPa cm3 g?1，超過眾多金屬和合金材料。

圖1. 木材處理工藝

首先，讓天然木材和氫氧化鈉、亞硫酸鈉混合在一起，這與制作紙漿的過程類似。這種密實化工藝主要包括以下兩個步驟：

1）化學處理

類似木材造紙工藝，研究人員首先以NaOH和Na2SO3水溶液作為化學處理試劑，在沸騰環境中去除天然木材中的部分木質素和半纖維素。

2）高溫壓實

然后，在100℃溫度條件下高溫壓實處理，去除木材中的絕大部分孔隙，使密度從0.43 g cm-3提高到1.3 g cm-3，木材厚度減少80%左右。

圖2. 天然木材和密實化木材結構表征

經過以上工藝處理后的木材，密度提高了3倍，硬度和強度提高了11倍。比強度達到422.2 ± 36.3 MPa cm3 g?1，超過目前大部分金屬和合金材料。

之前的報道中，僅通過熱壓處理，木材密度也可提高3倍，但是硬度僅提高3-4倍。因此，研究人員認為，本工藝中的化學處理，是木材硬度提高11倍的關鍵原因。而經過本工藝處理之后的木材由許多高度曲線排列的纖維素納米纖維組成，相鄰的納米纖維素之間形成大量氫鍵。化學處理，使基于纖維素的細胞壁更穩定，在水中更不容易膨脹。當然，這種木頭再也不能漂浮在水面了。

圖3. 力學性能測試

圖4. 沖擊測試

接下來，木材經過一個壓縮階段，以折疊每個細胞的壁。當木材繼續被壓縮時，會增加熱量以形成新的化學鍵。

這些工藝能夠去除某些聚合物，同時保留其他對木材強度很重要的聚合物，使新木材得到非常有效的強化。這種強化最終來自于大量的氫原子與纖維素的納米纖維結合，其在木材結構中已經普遍存在。

它的化學反應相當復雜，但是這個過程本身其實很簡單，也非常的便宜，而且已經證明可以強化不同種類的木材。

在某些情況下，它是替代鋼鐵、鈦合金和其他材料的極佳選擇。這種超級木材具有高強度、高韌性和輕便的特點，不僅能抗壓、抗打擊、耐刮，甚至還可以防潮。

總之，這項研究為開發高力學性能、輕量化的木質材料提供了一種新工藝，為替換高成本的合金或鋼鐵材料提供了新的選擇！

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