【引語(yǔ)】

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木頭可以用來(lái)做什么呢？我們大家都能想到的答案是建材、家具、裝飾品等。木制品在人們的日常生活中隨處可見(jiàn)，可真正對(duì)木頭的科學(xué)研究卻很少。有那么一位老師，對(duì)木頭可謂是情有獨(dú)鐘，將木頭的作用也是發(fā)揮得淋漓盡致，也由此獲得了“木頭專(zhuān)家”的稱(chēng)號(hào)。他就是馬里蘭大學(xué)的胡良兵老師。

胡良兵課題組一直致力于新興材料的開(kāi)發(fā)和研究，擴(kuò)展生物質(zhì)材料（尤其是木頭納米纖維素）的基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)，并將其與新興技術(shù)相結(jié)合。納米纖維素也成功的應(yīng)用在了很多領(lǐng)域，比如：能源存儲(chǔ)、環(huán)境科學(xué)、建筑科學(xué)、柔性電子設(shè)備、水處理等等。

木頭最顯著的特點(diǎn)是各向異性，這與其內(nèi)部均勻排布的立式通道有關(guān)。這些立式通道用來(lái)提供樹(shù)木生長(zhǎng)所必需的的水分、礦物質(zhì)和養(yǎng)料等。木材細(xì)胞壁包含直徑3-5nm的纖維絲，以及木質(zhì)和膠質(zhì)等物質(zhì)。此外，纖維絲、半纖維素和木質(zhì)素的交互結(jié)構(gòu)，造就了木材優(yōu)越的機(jī)械性能。胡老師課題組通過(guò)對(duì)木材簡(jiǎn)單的處理，大大改善木材的性能。研究人員將木材中的木質(zhì)素去除，代之以聚合物，最后木材的透光率可達(dá)90%，且力學(xué)性能大為改觀，強(qiáng)度也提升了4-6倍。這種結(jié)構(gòu)材料可應(yīng)用在同時(shí)要求機(jī)械性能和透光性能的場(chǎng)合下。比起玻璃，這種透明的木頭在受到一般程度的擠壓下不會(huì)破裂。[1]

普通的木材在許多先進(jìn)的工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用中表現(xiàn)出性能不佳的缺點(diǎn)。雖然用蒸汽、氨水或冷軋預(yù)處理木材，將其致密化，可以大大提高木材的機(jī)械性能，但是致密化程度并不能滿(mǎn)足現(xiàn)有技術(shù)對(duì)木材機(jī)械性能的要求。研究人員通過(guò)在NaOH和Na2SO3的含水混合物的沸騰過(guò)程從天然木材中去除木質(zhì)素和半纖維素，隨后進(jìn)行熱壓，導(dǎo)致細(xì)胞壁的完全塌陷，使天然木材中的纖維素納米纖維完全致密化。這種致密化程度比之前的處理方法得到的致密化度更高，得到的壓縮木材具有比大多數(shù)金屬和合金更高的強(qiáng)度，使其成為低成本、高性能、輕量級(jí)的替代品。這種超強(qiáng)木頭刷新了木材在工程上的應(yīng)用，胡老師之后會(huì)不會(huì)考慮用超強(qiáng)木材造汽車(chē)呢？讓我們期待一下~[2]

繼“超強(qiáng)木頭”的開(kāi)發(fā)之后，胡老師又成功的將木頭做成高彈性的“木炭海綿”。研究人員先通過(guò)化學(xué)處理去除木質(zhì)素和半纖維素破壞了天然木材的細(xì)胞壁，產(chǎn)生具有許多堆疊拱形層的層狀結(jié)構(gòu)。在高溫碳化之后，層狀結(jié)構(gòu)仍可以很好地保存下來(lái)。這種層狀結(jié)構(gòu)具有高達(dá)80％的高可壓縮性，且在50％應(yīng)變下展現(xiàn)出10,000個(gè)壓縮循環(huán)的高抗疲勞性。同時(shí)，這種木炭海綿在壓縮時(shí)也表現(xiàn)出靈敏的電導(dǎo)率變化。胡老師不僅可以提高木頭的透光率、強(qiáng)度，還可以將木頭做成高彈性的海綿。不得不佩服胡老師的創(chuàng)新能力，看似普通的木頭，卻做出不一樣的性能。[3]

胡老師不僅提高了木材的性能，而且木材中的納米纖維素由于其特有的孔道結(jié)構(gòu)，也被應(yīng)用在了各種新興技術(shù)。這種納米纖維素表現(xiàn)出各向異性的熱傳導(dǎo)性能，在垂直于納米纖維的橫向上熱導(dǎo)率很低，在軸向上的熱導(dǎo)率為橫向的兩倍。這種熱傳導(dǎo)的各向異性，使得納米木頭能夠沿著軸向有效的散熱，同時(shí)在橫向上產(chǎn)生絕熱，可以做成很好的保溫材料。[4]

木材中均勻排列的納米纖維不但表現(xiàn)出很好的保溫性能，其良好的柔性和可彎曲性也使得其在紡織行業(yè)也體現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。在木材去木質(zhì)化后，納米纖維素保持了原有的孔道結(jié)構(gòu)，再經(jīng)一步扭轉(zhuǎn)后，大量的微孔道得以消除，這種方法制得的致密化結(jié)構(gòu)比天然木材有著兩倍的機(jī)械強(qiáng)度和20倍高的韌性，并且具有良好的可編織性和可染性。是的，你沒(méi)看錯(cuò)，胡老師竟然要用木頭來(lái)制造衣服，這將大大降低制造成本。[5]

這種高強(qiáng)度、有序纖維素納米纖維還可以用來(lái)制作水凝膠，納米纖維素與聚合物分子鏈之間存在較強(qiáng)的氫鍵作用和交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得木材水凝膠的拉伸強(qiáng)度高達(dá)36MPa。而且納米纖維帶有負(fù)電荷，這種水凝膠還可以用作納米流體導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)類(lèi)似生物肌肉組織的離子選擇性傳輸功能。[6, 7]

胡老師組不僅將木頭納米纖維素用于各種生物體系，在海水淡化和水凈化處理方面也做了很多工作。太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生裝置是目前解決淡水短缺問(wèn)題最有前景的技術(shù)之一，而提高太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生裝置性能的關(guān)鍵就是要提高太陽(yáng)能接收效率、減少熱損失、保證流體的輸送和蒸發(fā)。天然木材高度一致的孔道結(jié)構(gòu)使得其可以快速的傳輸水。研究人員在木材的3維孔道中均勻的負(fù)載金屬顆粒，得益于金屬顆粒的等離激元效應(yīng)和木材基質(zhì)中微孔道的波導(dǎo)效應(yīng)，這樣等離激元木材在200-2500nm的超寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)展現(xiàn)出大于99%的光吸收效率。[8, 9]木頭不僅可以作為吸光材料的載體，其優(yōu)異的絕熱性能也使得其可以用作良好的隔熱層來(lái)提高太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生裝置的性能。研究人員將木頭按水平生長(zhǎng)方向放置在光吸收層下方用作隔熱層，通過(guò)納米級(jí)通道在木材中進(jìn)行跨平面水輸送，熱傳輸方向被解耦以減少傳導(dǎo)熱損失。垂直于木材的跨平面可以通過(guò)凹洞和螺旋提供快速的水輸送。纖維素納米纖維在凹洞周?chē)蕡A形分布，并沿著螺旋高度對(duì)齊以將水穿過(guò)內(nèi)腔。同時(shí)，利用木材的各向異性導(dǎo)熱，可以提供比超隔熱聚苯乙烯泡沫塑料更好的絕緣性能。[10]

胡老師在研究木頭的同時(shí)，也在進(jìn)行著能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換的研究工作。在過(guò)去的一年里，胡老師在固態(tài)電解質(zhì)[11]、鋰金屬負(fù)極[12, 13]、鈉離子電池[14]等研究上取得了不錯(cuò)的成果，尤其是木頭納米纖維素在電池及催化領(lǐng)域的應(yīng)用更是讓人耳目一新。研究人員利用靜電作用將導(dǎo)電炭黑吸附在纖維素納米纖維上構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中納米孔提供離子導(dǎo)電路徑。這種電極結(jié)構(gòu)用于磷酸鐵鋰等正極材料，可以大大提高電極的面容量、提高電池的能量密度。[15]這種納米纖維不僅可以制作厚電極，還可以用作水系電池的集流體。研究人員將碳納米管與纖維素納米纖維混合，碳納米管提供了優(yōu)異的導(dǎo)電性，與纖維素納米纖維的復(fù)合又保證了結(jié)構(gòu)的高機(jī)械強(qiáng)度。通過(guò)調(diào)節(jié)碳納米管與纖維素納米纖維的比例，可以做成很薄的集流體，并且具有高導(dǎo)電性、高機(jī)械強(qiáng)度。[16]不僅木頭纖維素可以做電池，細(xì)菌纖維素同樣可以用于電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。研究人員利用細(xì)菌纖維素膜作模板，浸入LLZO前驅(qū)體溶液中，LLZO負(fù)載在細(xì)菌纖維素骨架網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)過(guò)煅燒后，細(xì)菌纖維素被移除，剩下了LLZO骨架膜，然后與聚合物電解質(zhì)PEO-LiTFSI混合，做成有機(jī)無(wú)機(jī)混合的固態(tài)電解質(zhì)。有序的LLZO網(wǎng)絡(luò)保證了快速的鋰離子傳導(dǎo)，與有機(jī)聚合物復(fù)合保證了結(jié)構(gòu)的彈性，大大提高了固態(tài)電解質(zhì)的性能。[17]

木材結(jié)構(gòu)是一種高效的離子、氣體傳輸系統(tǒng)，將催化劑均勻地負(fù)載在孔道結(jié)構(gòu)中，可以用作各種催化領(lǐng)域。[18]用于鋰空電池正極結(jié)構(gòu)中，其獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)可以保證氧氣或者二氧化碳?xì)怏w的傳輸，而且有利于電解液的浸潤(rùn)，在微孔道的多孔壁上形成了空氣、電解液、催化劑的三相活性位點(diǎn)，促進(jìn)了電子、離子的傳輸，加快了電化學(xué)反應(yīng)。[19, 20]

胡良兵老師致力于新材料新技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究，但能在普通的木頭上做出這么多的成果，絕非偶然，這離不開(kāi)胡老師兢兢業(yè)業(yè)的辛苦工作，但這些成果也并非是一味的埋頭苦干就能做出來(lái)的，還需要有一定的創(chuàng)新思維。我們?cè)谛蕾p別人的優(yōu)秀工作的同時(shí)，一定不能忘記學(xué)習(xí)其研究思想與研究方法。胡老師出色的工作能力相信會(huì)給予很大一部分人啟發(fā)，做科研不一定要研究基礎(chǔ)科學(xué)，但卻一定要立足于科學(xué)的基礎(chǔ)，腳踏實(shí)地，大膽的創(chuàng)新，相信終有一天，每一個(gè)辛勤工作的你都會(huì)取得成功。