科学家研发出超级木材 硬过钢铁还能挡子弹

网易科技报道
2018-02-10

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网易科技报道2018-02-10


图:“木材强化”技术可以将无所不在的木头转化成适合建造楼房和防弹衣的超级材料

2月9日消息,据科学美国人报道,世界上有很多木材都以硬度高而闻名,比如橡树和枫树。但是科学家们宣称,利用简单而廉价的新工艺可以将任何一种木材转化成比钢铁更硬的材料,甚至超过高科技的钛合金。除了可用于建筑楼房和车辆,这种材料还可以用来制造防弹装甲板。

地球上的木材资源十分丰富,而且利用成本相对较低。尽管它已经被使用了几千年,从制作家具、住宅到更大的建筑,但未经处理的木材很少像建筑中使用的金属那样坚硬。美国马里兰大学帕克分校的材料科学家胡良冰(Liangbing Hu)说,长期以来,研究人员始终试图增强木材的硬度,最常使用的方法就是压缩和“强化”。但密实木材往往会变弱,并反弹到原来的尺寸和形状,尤其是在潮湿的环境中。

现在,胡良冰及其同事们宣称,他们已经找到了一种更好的方法来强化木材。他们使用的工艺十分简单,可分为两步:首先使用沸腾的氢氧化钠(NaOH)和亚硫酸钠(Na2SO3)溶液浸泡木材,这种化学处理方式类似于制造木浆的第一步。这可以去除木质素和半纤维素(天然聚合物,有助于植物细胞壁硬化),但在很大程度上,木材内的纤维素(另一种天然聚合物)依然保持完好无损。

第二步几乎和第一步同样简单,即压缩处理过的木材,直到它的细胞壁坍塌,然后在适度加热过程中始终保持这种压缩状态。压缩和加热促使大量的氢原子和相邻原子在纤维素的相邻纳米纤维之间形成化学键,从而大大增强了木材的硬度。

结果是令人印象深刻的。胡良冰说,该团队压缩木材的密度是未经处理的木材三倍以上,而其抗撕裂能力增加了10倍以上。此外,这种木材的抗压能力也会提高约50倍,而且硬度提高20倍。密实木材更硬、更耐刮、更耐冲击,它几乎可以被塑造成任何形状。也许最重要的是,这种木材也具有防潮性能。在实验室测试中,暴露在极端潮湿环境下超过五天的压缩木材膨胀率不到10%,而在随后的测试中,只要涂上油漆涂层就能完全消除膨胀。

用五层类似胶合板、厚度与三明治差不多的压缩木材,可以阻挡子弹钻入材料中。胡良冰及其同事们认为,这可能会帮助打造低成本的装甲。他指出,这种材料并不能完全与同样厚度的凯夫拉板相比,但它的成本仅为后者的5%。

加州大学圣地亚哥分校的材料化学家刘平(Ping Liu)表示,这个研究团队的成果“似乎为新型轻质材料的研究打开了大门”。汽车制造商经常希望使用高强度钢材、铝合金或碳纤维复合材料代替普通钢材来减轻重量,但这些材料成本很高。压缩木材还可充当碳纤维复合材料,其优势是不需要昂贵的粘合剂,因为那样会使零部件很难甚至是不可能回收。

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(Peter Fratzl)说,压缩木材提供了新的设计和用途可能性。他说:“研究人员应该尝试创造新材料来满足他们的设计要求,而不是设计迁就材料。”弗拉茨尔以航天工程为例,工程师们长期以来都在努力开发更强的合金以满足他们的设计需求。

刘平指出,压缩木材广泛使用的一个可能障碍是,工程师们扩大并加速这一工艺的能力。胡良冰和他的团队花了几个小时才制作出咖啡桌大小的厚木板用于测试。但他认为,这种工艺应该可以更快的速度制造更大的部件。

尽管胡良冰及其团队一直在努力提高木材的硬度,但其他研究人员却在追求更不寻常的目标,比如让木材变得透明。在斯德哥尔摩的KTH皇家理工学院,由材料科学家拉尔斯·伯格兰德(Lars Berglund)领导的团队,正在研究制造木材玻璃的方法。

伯格兰德首先也要去除木材中的木质素,这种物质不仅会使木材变硬,还会变为褐色。研究人员用名为甲基丙烯酸甲酯(MMA)的聚合物注入无木质素木材中,从而形成一种更知名的材料,比如树脂玻璃和有机玻璃。因为MMA的折射率与无木质素的木材相匹配,光线通过注入MMA的复合材料,而不是在空细胞内反弹出来,这使得材料变得非常透彻。

伯格兰德及其团队在两年前的《Biomacromolecules》中描述了他们的成就。巧合的是,当时胡良冰等人也在开发能使木材透明的方法。

像胡良冰和伯格兰德这样的研究会让材料科学的未来前景变得更加广阔。在不久的将来,我们可能会生活在几乎完全由地球上最丰富、最多样化的建筑材料建造的房子里,从地板到椽、从墙壁到窗户都是木质的。在车库里,可能停放着底盘和保险杠都由压缩木材所制的汽车,而不再是钢材和塑料。

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