在胡良兵的实验室里，普通的旧木材成为了一种神奇的材料。这种材料质地透明，坚固如钢铁，软弹如橡胶，柔韧如塑料。

胡良兵的实验室通过简单的化学脱木素过程（木质素：将木材中的纤维素纤维结合在一起的聚合物），然后利用木材天然的纳米结构形成“新材料”。这项技术已经授权给马里兰大学的一家名为InventWood的公司，该公司正在进行这项技术的产业化，比如在绿色材料方面，有望取代建筑物和车辆上的玻璃、金属和塑料等。

胡良兵博士期间研究方向为碳纳米管。后来，他发现纤维素纳米纤维无论在尺寸、结构还是离子传输能力上都与碳纳米管非常相似，同时还具有成本低和可持续发展等优点，他马上对木材产生了浓厚的兴趣。 

如果我读过关于木材结构和化学的书，我肯定不会使用这种材料，因为它太复杂了。我之所以敢用它，因为我真的太爱纳米纤维了。

在纳米尺度上，木材的机械性能与碳纳米管非常相似。树木是各向同性结构─它有一个明确的生长方向。当你在显微镜下观察木材时，你会看到这些管状结构，这些中空纤维指向同一方向，由木质素粘合在一起。在每根纤维的细胞壁内，你可以看到这些惊人的纳米纤维，比大纤维小四个数量级。一块木头的典型强度约为20–50兆帕，但纳米纤维的强度约为它的100倍。因此，木材的微观构造具有独特的结构和惊人的性能，使得我们可以通过化学方法去除木质素来加以利用。

树木还可以全天候高效地泵送离子和水。所以我们还想研究一下这些微小纤维中的离子传输，看看我们是否把它应用到电池方面的研究。

这也是InventWood几乎每天都在问的问题。在未来2-3年内，大家可以看到它结构特性方面的应用。例如，超强木材和可塑木材。

我们实验室的超强木材，具有类似于金属的材料强度，真正利用了纳米纤维的机械性能。它可以在某种程度上替代钢铁和铝以减少二氧化碳排放。众所周知，钢铁和铝的生产需要大量的热和电能，并排放大量的二氧化碳。而木材的生产可以消耗二氧化碳。而且，我们在室温下使用水、亚硫酸钠和氢氧化钠处理木材的方法更节能环保。

我们最新的研究成果，可塑木材，首次使木材可以像塑料和金属一样塑形。大家都知道，塑料可以熔化并重塑成各种形状，而普通的木材一掰就断了。这种可塑木材具有跟塑料类似的性质。除此之外，与塑料复合材料相比，我们研发的材料更环保。因为这种材料最终是可生物降解的，但仍然保持结构应用的强度。

从电池应用这一方面来讲，电池需要许多组件协同工作。所以，也需要许多其它技术一并开发。我认为用木材制造电池尚需时日。

木材主要用作建筑材料或造纸。但是它在纳米尺度上具有更有趣的物理和化学性质。例如，在微小的纳米纤维中，离子的移动速度比在大纤维中快得多，因为在微小的空间中，离子一次只能迁移一个，并且必须摆脱所有的反离子，而这些反离子通常会被它们吸引并阻止离子迁移。这个速度对于电池来说非常重要，当你充电时，锂离子会在电池中迁移。电池充电速度不够快的一个原因就是锂离子和铜离子一起出现，而且移动性不强。利用这种纳米纤维结构，你可以调控离子的运动方式。

更通俗地说，人们一直想着怎样制造新的纳米材料。但是，木材纳米纤维是我们周围最丰富的材料，全球平均每人大约有400棵树。我们真的需要更多地探索木材纳米技术。

每件事都有不完美的地方。我们不在木材上加任何东西，这就是为什么它是可持续的和可生物降解的。但归根结底，它还一块木头。如果你把它放火上烤，它也会着火。但是我们制造的木质材料燃烧速度要慢得多，是天然木材的百分之一。

木头也有尺寸限制，而且形状并不总是直的。因此，我们必须想办法突破这些限制。例如，我们可以通过旋转切割来规避木材大小的限制。木材的直径是有限的，但是如果你能螺旋式地剥开并展开它，你可以制作出更大的一块材料。

造纸行业有一种说法，除了钱，你用纤维可以做任何东西。但从来没有一种好的利用木质素的方法。我们正试图扭转这种局面，做一些有益于木质素的事情，而不是试图去除木质素。我们还没有完全专注于木质素的工程学或回收方面的研究，但我们这里有一些非常有趣的事情，我希望将来能和大家谈谈。

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ACS Cent. Sci. 2022, In Press

Publication Date: January 4, 2022

https://doi.org/10.1021/acscentsci.1c01560

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