​以木代钢？李腾教授这篇Matter做到了！超硬木材，硬度提升23倍！

硬质材料，如镍基和钛基合金、金属的氮化物和碳化物、氮化碳、氮化硼和钻石，在许多领域都引起了极大的兴趣，包括切割和抛光工具、连接和固定材料以及耐磨涂层。然而，这些广泛使用的硬质材料通常不可再生且价格昂贵。例如，许多硬质材料的合成需要极端条件（如超高压和高温），从而带来潜在的安全挑战并消耗大量能源。这种合成过程通常会排放大量废气，导致对环境的负面影响。因此，可以在简单的过程中生产的可持续且低成本的替代硬材料是非常理想的，但迄今为止仍然是一个挑战。

超硬木材做成的餐刀，用于切牛排。

纤维素，作为木材的主要组成部分（40-45 wt％），是地球上最丰富的生物聚合物，具有卓越的内在机械性能。为了解决开发潜在低成本、可持续硬质材料的挑战，马里兰大学李腾教授课题组展示了一种简单有效的方法来将大块天然木材加工成硬化木材(HW)。与天然木材相比，HW的硬度增加了23倍。与此同时，HW展现出丰富的潜在应用，研究人员将HW进一步加工为餐刀，其锋利度几乎是商用餐刀（例如，由钢、塑料和天然木材制成的餐刀）的3倍。此外，HW钉可以达到与钢钉相当的性能，并且可以轻松地将其打入天然木板并将它们固定在一起。这些丰富的应用表明HW有望成为传统硬质材料的可再生和低成本替代品，并且具有使用HW的额外优势。相关研究成果以题为“Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic”发表在最新一期《Matter》上。

【天然木材转化为HW】

图1A显示了将原始天然木材转化为HW的加工策略示意图。经图1A过程产生的HW比其原木对应物硬23倍（图1D)，这可归因于HW的材料结构急剧致密化，从而显着增强了HW中相邻纤维素纤维之间的氢键形成。然后将HW浸泡在食品级矿物油中进行表面处理，以增加其防水性（图1B）。研究人员通过弯曲和抛光将HW进一步加工成刀和钉子的形状，以展示其作为一次性餐刀和钢钉的替代品的潜在应用（图1C）。

图 1. 将大块天然木材直接转化为HW的方法示意图及其潜在应用

【HW的力学性质】

HW的力学性能（例如硬度）取决于原木的有效致密化。图2A和2B分别显示了天然椴木在RT和RL平面的形态，沿木材生长方向具有大量管状通道和不同尺寸的孔隙。图2C和2D显示了HW的相应形态，其中木质细胞壁完全坍塌，纤维素纤维平行密集堆积。结果，HW样品的厚度减少到原木厚度的大约20%。原木的致密程度与化学加工过程中去除的木质素密切相关。图2F为布氏硬度测试示意图，在HW表面施加30 kg的力产生压痕。然后使用光学显微镜对压痕进行表征和分析（图2G和2H）。如图2H所示，木纤维下方压头变形以形成弯曲的形状（如图中的侧视图图2H）。化学处理时间为4小时的HW样品显示出比化学处理时间为2和6小时的样品具有更高的布氏硬度值(BHN)（图2I），比天然椴木（图1D）高约23倍。

图 2. HW的形态、成分和机械性能

【HW的防水性】

木材的主要成分是纤维素，它是亲水的。因此，天然木材具有吸水性。进行矿物油处理以增强HW表面的防水性（详见实验程序），如图3A和3B所示。制成的HW表面和经过油处理的HW表面的接触角分别为45.3°±0.6°和79.9°±1.8°（图3C和3D），表明HW表面的耐水性显着增加。矿物油处理的有效性通过对成品和油处理过的HW的傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析得到进一步证实（图3E）：矿物油主要由长链烷烃组成。图3F-H表明矿物油处理是一种简单而有效的提高HW抗水性的策略。

图 3. 食品级矿物油对硬质合金表面进行油处理及由此产生的防水性能

【HW的应用】

为了证明HW机械性能的重要性，研究人员分别展示了HW在切割和固定工具（硬质材料最重要的两个应用）中的两个潜在应用。考虑到HW由于木纤维排列方向的各向异性材料结构，研究人员准备了两种类型的HW刀具。图4A-F表明HW的两种类型的刀具都明显比钢制和木制的餐刀锋利，并且可以与塑料刀相媲美。研究人员通过测量它们的锋利度来进一步定量比较上述刀具的锋利度，图4J绘制了在两种切割模式下用五种类型的刀片切割相同直径的聚合物线的力。滑动模式下的切削力通常小于非滑动模式下的切削力。在任何一种切割模式下，HW刀具的切削力都较低。作为用作可行餐具的演示，使用HW刀可以轻松切割中等熟度的牛排。

图 4. 将经过油处理的HW用作可重复使用的锋利餐刀的演示

HW具有出色的机械性能，并且不受金属生锈问题的影响，这表明它具有作为候选固定材料的潜力。HW钉的尖端可以制成与钢钉一样锋利（图5B）。在穿透天然木层的过程中，无论是硬质钉还是钢钉都不会损坏（图5C和5D）。图5E表明天然椴木层的弹性变形。图5F将HW钉与钢钉的防锈性、丰度、重量轻、可再生性和可持续性进行了比较，表明HW钉作为替代商业钢钉的有希望的候选者具有显着优势。

超硬木材做成的钉子（截取视频的片段）

图 5. HW作为轻质防锈钉替代钢钉的应用示范

【总结】

研究人员展示了一种基于天然木材的超硬材料的简单制造的有效策略以及这种超硬材料的两种潜在应用。通过改变天然木材的化学处理时间来优化制造条件，以实现所得材料的最高硬度值，其硬度是其天然木材对应物的23倍。HW餐刀的锋利度几乎是商用餐刀（例如钢、塑料和天然木材）的3倍。HW钉显示出与类似尺寸的钢钉相当的性能。HW的这些卓越的机械性能，结合其固有的优势，如可持续性、自然丰度和低成本，有望使HW成为在广泛应用中替代钢和塑料的候选者。

来源：高分子科学前沿