近年來(lái)，材料科學(xué)家不斷從大自然中找尋靈感，仿造生物體的結(jié)構(gòu)來(lái)合成高效能的新材料。中國(guó)科學(xué)家就從木材得到靈感，研發(fā)出一種比木材強(qiáng)韌，且具有防火和防水特性的人造材料。這種人造仿生木材未來(lái)有望取代天然木材，并應(yīng)用于工程領(lǐng)域。

    仿生木材

    天然木材雖然很輕，卻具有非常高的強(qiáng)度，這主要是來(lái)自木材內(nèi)部的特殊結(jié)構(gòu)。其獨(dú)特的分層細(xì)胞結(jié)構(gòu)及由木質(zhì)素（lignin）、半纖維素（hemicellulose）形成的網(wǎng)絡(luò)，再加上方向一致的纖維素絲，使得木材具有無(wú)與倫比的強(qiáng)度。另外，由于材料取得容易，成本較低，材料學(xué)家紛紛模仿木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)，來(lái)創(chuàng)造出高強(qiáng)度材料。

    不過(guò)，木材雖然擁有高強(qiáng)度，卻不耐水也不耐火。另外，傳統(tǒng)上作為仿生木材基材的陶瓷材料不具有高強(qiáng)度又易碎，且熱處理溫度極高，通常要燒到攝氏1500度以上才能燒結(jié)成一體。

    為了解決這個(gè)問(wèn)題，合肥中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（University of Science and Technology of China）的研究團(tuán)隊(duì)使用一種特殊材料來(lái)合成仿生木材。他們?cè)谝环N水溶性高分子樹脂（resin）溶液中加入一些甲殼素（chitosan）。當(dāng)樹脂溶液冷凍干燥后，就會(huì)生成一個(gè)具有微孔及孔洞通道的結(jié)構(gòu)。甲殼素的胺基與樹脂間具有強(qiáng)烈反應(yīng)，可以避免結(jié)構(gòu)變形，能幫助孔洞通道的支撐。接著，研究團(tuán)隊(duì)將樹脂加熱到攝氏200度進(jìn)行熱處理，讓結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生強(qiáng)力化學(xué)鍵結(jié)，以合成人造木材。

    防水又防火

    中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系教授俞書宏博士表示，這種仿生木材有兩種強(qiáng)化機(jī)制。首先是通過(guò)快速的冷凍干燥，使材料內(nèi)部產(chǎn)生更小的孔洞通道，以強(qiáng)化該材料。其次，較高溫的退火溫度也增強(qiáng)了樹脂間的鍵結(jié)，進(jìn)而增加材料的強(qiáng)度。

    另外，由于使用了水溶性的樹脂，因此可以根據(jù)材料所需的性質(zhì)，在樹脂溶液中添加水溶性的金屬離子或奈米材料，不僅制備方法簡(jiǎn)單，也能彈性調(diào)整材料特性。例如，可加入人造或自然纖維使其更耐壓。此外，這種新材料不像天然木材一樣，不需要花費(fèi)多年生長(zhǎng)，就能大量制備，且對(duì)環(huán)境友善。

    研究人員還測(cè)試了這種新材料的抗水及抗腐蝕力。研究人員將合成材料浸泡于水與硫酸溶液中30天，但材料的強(qiáng)度幾乎沒(méi)有弱化，反而是作為對(duì)照組的輕木樹（balsa）樣本，在類似的實(shí)驗(yàn)條件下強(qiáng)度減弱了三分之二，同時(shí)抗壓性少了40%。這是因?yàn)檫@種新材料的本體樹脂就具有抗腐蝕能力，且因表面不具親水性，所以能夠防水及抗酸蝕。

    這種新材料具有低密度及高孔洞率（porosity），因此比天然木材更具有良好的防火性。研究人員認(rèn)為這些孔洞及通道，讓熱輻射只會(huì)在孔洞方向傳導(dǎo)而不會(huì)往材料方向傳播，因此能作為良好火源絕緣體。此外，即使將該材料放置于火源內(nèi)，只要將材料移離火源，馬上就會(huì)停止燃燒?；谏鲜鲞@些優(yōu)點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這種仿生木材具有替代天然木材于工程用途的潛力。