图1 木质房屋建筑。（图片来自网络）
不知从何时起，人们就潜移默化地把“小木屋”和“休闲”“度假”联系到了一起，不管是茂密的林间，还是空旷的海边、银色的雪地……木屋总是各色风景区、度假村等的“标配”。
要建小木屋，首先必须要有木材。木材的特点是：轻质高强，就是质量轻、强度高。所以，很多的房屋、桥梁都大量使用了木材这种材料。特别是在我国古代，很多古建筑都是木质结构。
可是我们知道，一棵树的生长成材往往需要几十年甚至上百年的时间，而且大规模砍伐树木森林也给环境带来了很大的负担。此外，木材作为为一种建筑材料，有不耐腐蚀、易燃等缺点，这也限制了木材的大量使用。
不过这也难不倒聪明的人们，既然天然的木材需要“省着点用”，那为何不考虑一下人工木材呢？所以科学家们也在努力寻找木材的替代品。
只是，大自然经过几十亿年的进化，生物材料的结构和功能都已臻至完美，它们往往是用最少的材料构建出最精妙有效的结构。在这一点上，人工材料远远不如自然材料。
市面上的一些人造木，仅仅是模仿木材纹理的复合塑料，不仅强度与天然木材相差甚远，而且易燃。已经报道的一些仿木头材料也是“徒有其型”，虽然具有类似木材的取向孔道结构，但强度很低。
比如，聚合物基仿木头材料，强度非常低，因此主要被用于细胞培养；而陶瓷基仿木头材料要经过超高温烧结（通常>1500?C），但仍然密度大，缺陷多，强度低。
因此，如何制备真正具有“轻质高强”特点的仿木材结构材料，是仿生材料研究领域面临的挑战。
最近，中国科学技术大学就在这一领域取得了新的进展。科研人员发展了一种冰晶诱导自组装和热固化相结合的新技术，以传统的酚醛树脂和密胺树脂为基体材料，成功研制了一系列具有类似天然木材取向孔道结构的新型仿生人工木材。而这一系列的仿生人工木材，就具有轻质高强、耐腐蚀和隔热防火等优点。
图2 仿生人工木材的制备过程示意图和人工木材实物图。
通过三维成像技术测出来的人工木头的真实结构，可看出其微观结构是取向的孔道
优点一：轻质高强
这种新型的树脂基仿生人工木材，具有非常类似天然木材的取向孔道结构。采用这种方法还可以复合多种纳米材料以制备多功能复合人工木材，简单高效，容易放大生产。它们具有突出的机械性能，力学强度优于已开发的多种仿木结构的陶瓷材料，且与天然木材性能相当。
优点二：耐腐蚀、隔热
与天然木材相比，仿生人工木材最大的优势在于其耐腐蚀性、隔热和防火性能。比如其具有耐腐蚀性，科研人员把这些仿生人工木材放在水和硫酸溶液中浸泡30天，其力学强度均没有衰减。
而得益于其取向孔道结构和孔壁中复合的纳米材料，与石墨烯复合的人工木材，具有很好的径向（即垂直于孔道方向）隔热效果，其隔热效果优于天然木材和商业的保温泡沫材料等。考虑到人工木材的高比强度（压缩强度/密度），这种人工木材比其他工程材料和气凝胶材料具有更好的实用性。
图3 天然木材与不同的仿生人工木材的结构对比。（A-C）天然巴尔杉木；（D-F）酚醛树脂基人工木材；（G-I）密胺树脂基仿生人工木材；（J-L）酚醛树脂/石墨烯复合人工木材。
优点三：防火性能
易燃性，是天然木材在实际应用中面临的最大问题，而防火阻燃则是人工木材最大的优点，而且通过复合不同的纳米材料可以进一步提高其防火隔热性能。这种人工木材具有很好的防火性能，在火焰引燃后能够迅速自熄灭，而这正是天然木材无法克服的缺点。
图4 人工木材的防火性能和巴尔杉木的易燃性对比。（a）密胺树脂人工木材，（b）酚醛树脂人工木材，（c）酚醛树脂/石墨烯复合木材，（d）天然巴尔杉木。
作为一种新型的仿生工程材料，这类人工木材多功能性优于传统的工程材料，有望代替天然木材，实现在苛刻或极端条件下的应用，例如极地低温环境等。此外，这种合成方法为制备和加工一系列高性能仿生工程材料也提供了新的思路。
文章来源：中国科学技术大学
版权归原作者所有，观点仅代表作者本人，不代表家具头条立场。
