“木头大王”马里兰大学胡良兵再发社评：木材纳米材料和纳米技术

【论文解析】

木材是一种丰富的、本质上可再生的自然资源，地球上有超过 3 万亿棵成熟的树木，在生长过程中充当重要的碳汇。这些特性与新技术和加工技术相结合，赋予木材丰富的新兴功能，使其成为可持续发展的天然材料选择。大约 3 亿年的树木进化已经产生了 60 000 多种木本物种，每一种都是大自然的工程杰作。进化导致木材具有独特的分层多孔结构，细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，可以支撑 300 英尺高的树木，同时还提供有效的水和养分运输。这种木质纤维素结构为各种功能化和应用提供了一个有趣的材料平台。世界各地最近的研究突破集中体现了这种先进的木基功能材料的巨大但很大程度上尚未开发的潜力——这是家具和建筑施工中传统木材使用的范式转变。许多努力致力于在多个长度尺度上定制木材的成分和结构，以赋予新的功能并合成新型的生物基功能复合材料，该期题为Wood Nanomaterials and Nanotechnologies的《先进材料》特刊马里兰大学胡良兵教授对此进行了探讨。

两种主要的方法，自下而上和自上而下，已被开发用于制造木质功能材料。大多数是通过自下而上的方法制造的，包括通过化学和/或物理过程将木材的纤维素纤维分解成纤维素原纤维，然后将这些构建块组装成各种宏观结构。最近，由于这种策略能够保持木材原始各向异性结构，自上而下的方法涉及木材的结构和/或成分工程，而不会将材料分解成其组成原纤维，因此越来越受到关注。这种自上而下的方法导致了具有改进甚至新特性和功能的新型木基功能材料的发明，大大扩展了木材的应用领域。

除了制造技术，先进的木质材料还受益于木材表征技术和计算模拟方法的进步。X 射线衍射、X 射线断层扫描、拉曼光谱、电子显微镜、原子力显微镜、核磁共振光谱和中子衍射等表征方法使木基功能材料的结构和行为能够被识别到微观- 和纳米级。计算研究在协助和加速发现木基功能材料的机械、流体、离子、电子、光学、热和声学特性以及确定重要的结构 - 性能-功能关系方面也发挥着关键作用，这些关系对于为应用研究提供信息。

该期《先进材料》特刊介绍了木材纳米材料和纳米技术在各种可持续应用方面的最新发展。在木材纳米材料和纳米技术，特别是制造技术方面，过去十年取得了长足的进步。在各种制造技术中，自下而上的方法获得了最多的关注。Fuxiang Chu 及其同事（文章编号 2001135）对通过高分子工程制备的木源功能高分子材料进行了全面综述，重点是利用可控/活性聚合、点击化学和动态键化学在木材-基于分子设计的修饰。通过溶解和再生过程，再生纤维素可以由木材制成，可以进一步组装成各种宏观结构，如大纤维、薄膜、水凝胶和气凝胶（文章编号 2000682）。更全面地，Orlando J. Rojas 及其同事（文章编号 2001085）审查了源自植物材料的可持续和功能性水凝胶，重点是水相互作用、水合作用和溶胀，这对于设计、加工水凝胶和实现预期目标很重要。特性。介孔纤维细胞壁中保存完好的纤维素纳米原纤维结构的全纤维素纤维可以通过对木材进行温和的脱木素处理来制备，可以进一步组装成具有良好机械性能的纤维、纸张、生物复合材料和模压纤维材料（文章编号 2001118）。

在各种源自木材的纳米材料中，纳米纤维素越来越受到关注，并被广泛研究和用于可持续性。 Gustav Nyström 及其同事（文章编号 2000657）回顾了将纳米纤维素组织成仿生排列的，通过各种自下而上的制造技术制造多孔和纤维材料。特别是制造技术，如旋转（文章编号 2001238）、逐层组装（文章编号 2001474）以及分散、悬浮以及纳米纤维素在乳液和非均相水基体系中的乳液聚合（文章编号2002404）在纤维素纤维、薄膜、气凝胶和层压本体结构的生产中显示出巨大的潜力优异的机械性能和所需的功能。通过将纳米纤维素与其他非木材成分杂交，可以通过溶剂共混、渗透、直接固体共混、溶液加工、熔融挤出、研磨/粉碎和原位聚合方法制造纤维素纳米复合材料（Robert J. Moon 评论） 、Jeffrey P. Youngblood 和同事在文章编号 2000718 中）。制造的纳米纤维素材料可以通过表面和界面工程（文章编号 2002264）和通过 2,2,6,6-四甲基哌啶- 1-氧基自由基 (TEMPO) 介导的带电基团的氧化和磷酸化以及反离子交换（编号 2000630）。

与自下而上的策略相比，通过各种脱木素技术保留天然木材结构的纤维素支架可以通过自上而下的方法制造（编号 2001375）。这种各向异性纤维素支架可以通过聚合和致密化进一步加工，以获得大范围的特性。或者，通过模仿木材的层次细胞结构，可以制造出微观结构与木材相似但层次和复杂程度较低的人造木材材料（编号 2001086）。

除了先进的制造方法，表征技术和计算方法在过去几十年也得到了迅速发展。 Stephen J. Eichhorn 及其同事（文章编号 2001613）全面回顾了使用先进成像技术研究木材结构特性与机械特性相关的最新发展。与此同时，Markus J. Buehler 及其同事（文章编号 2003206）总结了计算模拟方法的最新进展，例如密度泛函理论 (DFT) 和分子动力学 (MD)，这些方法已被用于理解结构、性质和纤维素、木质素和木材细胞壁的反应。

木材制造、表征和计算模拟技术的这种进步导致了具有广泛特性和功能的先进木质材料的加速发展。 Liangbing Hu 和 Chaoji Chen（文章编号 2002890）对自上而下和自下而上的木质结构中离子纳米级调控的最新进展、挑战和未来机遇，以及它们的应用进行了全面而批判性的回顾。利用这种离子调节能力进行能量存储、环境修复、传感和信号传输的各种设备。Sang-Young Lee、Leif Nyholm 及其同事（文章编号 2000892）和 Young-Shin Jun、Srikanth Singamaneni 及其同事（文章编号 2000922）进一步讨论了木材的电化学储能和太阳能蒸发应用)，分别特别强调纤维素纳米材料。Jason Ren 及其同事（文章编号 2001240）回顾了自上而下纳米木材材料的最新发展，用于与水-能源关系相关的应用，旨在解决全球能源和水危机。除了水和能源领域外，木质材料在光管理方面也表现出巨大的潜力（文章编号 2001215及编号 2000596）和热管理（编号 2001839），以及智能电子（编号 2000619）、生物应用（编号 2000717）和轻质结构材料（文章编号 2002504）。在 Hongli Zhu 及其同事的另一篇综合综述中（文章编号 2001654），讨论了源自木材不同部位的功能材料，用于能源、电子、生物医学和水处理等不同领域。木材和木质纤维素材料还可以作为致动器、软机器人系统和建筑的生物灵感来源，甚至可以被视为物质编程信息（文章编号 2001412）。

越来越多地使用木材纳米材料为应对能源、水和环境方面的全球挑战提供了可持续的解决方案。作者相信，该期特刊所涵盖的过去十年木材纳米材料和纳米技术的众多科技突破最终将导致材料研发的革命性进步，创造从不可再生材料到可再生和更可持续的生物源复合材料的范式转变，将木材纳米材料和木材纳米技术的影响扩大到更广泛的社区，并有利于实现可持续发展的社会目标。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202006207

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