【Gene 愛聊科學】木頭處理後有沒有可能比鋼鐵還硬?

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木材在我們生活中有許多的應用,例如傢具和建築材料。但是因為木材的硬度大不如鋼鐵,所以應用範圍有限。如今有科學家發現,利用化學浴和熱壓,可以在剛度和強度方面產生了前所未有的增強,把木材轉變成比鋼鐵更堅固的材料。這個發現,可能會使木材成為在汽車和建築物製造中塑料和金屬的環保替代品。

加強木材的嘗試可以回溯數十年。過去一些科學家努力提取纖維素中的奈米纖維來合成新的材料 [1]。也有科學家們試圖使木材更緻密,以獲得適用於高強度應用的材料,但成效有限。

美國馬里蘭大學的力學家李騰和材料科學家胡良斌的研究小組則採取了不同的方法,他們專注於修改天然木材的多孔結構。首先,他們用氫氧化鈉和亞硫酸鈉溶液把不同類型的木材(包括橡木)煮沸七小時,這種化學過程類似於木漿製紙的方法。他們的發現發表在《自然》(Nature)[2]。

天然木材包含許多平行的管狀細胞,其細胞壁主要由纖維素構成。在樹的木質部的大部分地方,細胞已經死亡並留下了富含纖維素的細胞壁,加上木質素和半纖維素形成中空的木質纖維。木質素是一種生物聚合物,在植物中具有許多功能,如穩定木材中的細胞壁並阻止寄生蟲和細菌對木質細胞的侵襲;半纖維素則是用糖鏈覆蓋和結合細胞壁中的纖維素纖維。

然後,他們在 100ºC 下壓塊一天,並將其密度從 0.43 克每立方厘米增加到 1.3 克每立方厘米。結果是,木板成了只有原本厚度的五分之一,但密度是天然木材的三倍,強度提高了 11.5 倍。由此產生的穩定材料密度高到無法漂浮在水面上。而過去對木材緻密化的處理,僅使強度提高了三到四倍。

許多纖維素基材料在與水接觸時會膨脹,但他們的緻密木材的吸水膨脹的可能性不大。德國波茨坦馬克斯·普朗克膠體與界面研究所所長 Peter Fratzl 指出,去除木材中的木質素可能使其更容易受到細菌或真菌侵襲,但這仍有待觀察 [3]。

他們利用掃描電子顯微鏡顯示,最新的過程將纖維素管壓碎在一起,直到它們皺縮並互鎖。為了測試材料的韌性,他們從通常用於測試軍車抗衝擊能力的彈道氣槍,向其發射子彈。將五層木材層壓成總厚度僅為 3 毫米的材料,就能夠擋住以每秒約 30 米的速度行進的 46 克鋼彈。他們表示,這比一顆子彈每秒幾百米的速度慢得多,但它與汽車在碰撞前可能移動的速度相當,使得該材料可能適用於車輛。

然而還是有人不買單,例如俄勒岡州立大學的 Fred Kamke 就認為,即使不去除木質素,其他技術(如施加較高溫度,在處理前蒸汽蒸煮木材並用樹脂處理)也可以讓木材變硬。他認為這些其他方法可能比苛性鹼溶液中 7 小時的煮沸便宜得多,而且還指出在自己的測試中,24 層未經化學處理的緻密木材能夠擋住手槍的 9 毫米子彈 [1]。

馬克斯·普朗克膠體與界面研究所的植物生物力學家 Michaela Eder 指出,壓縮木材以增加其密度自然會提高其強度,但是有多少強度是來自奈米纖維纏結的程度還不清楚。胡良斌和李騰指出,他們的模擬顯示,強度的增加與奈米纖維纏繞時形成的氫鍵的影響是一致的。他們說,進一步的證據是在以前的研究中,他們萃取木質奈米纖維,使紙張的強度提高了 40 倍,強度提高了 130 倍,但密度只有稍微的增加。他們說,這顯示纖維素纖維的鍵結是獲得優異強度的主因。

胡良斌指出,他們的研究主要發現,是去除適量的木質素是讓性能最大化的關鍵。在他們的實驗中,去除太多的聚合物會導致較低密度的脆木材,這表明一些剩餘的木質素在熱壓時有助於纖維素纖維的鍵結。當大約 45%的木質素被除去時,製作出的木材是最強的。

緻密的木材仍然比金屬材料輕,能與更貴的碳纖維相媲美,所以它的剛度和強度為許多工程應用開闢了應用潛力。另外,胡良斌指出,像松木或輕木這樣的軟木,生長速度快,更加環保,可以用這種方法替代家具或建築中生長較慢但密度較高的木材如柚木 [4]。

這些新興技術正在透過馬里蘭大學分拆出去的公司 Inventwood LLC 進行商業化。

參考文獻:

1. Zastrow, M. Crushed wood is stronger than steel. Nature News. 07 FEBRUARY 2018. 
2. Song, J. et al. Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature 554, 224–228 (2018).
3. Fratzl, P. Wood made denser and stronger. Nature 554, 172–173 (2018).
4. University of Maryland. "Super wood could replace steel: New process could make wood as strong as titanium alloys but lighter and cheaper." ScienceDaily. ScienceDaily, 7 February 2018. 

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