四川大学《自然·通讯》：新型竹材问世，兼具超强性能与可持续性

在全球追求碳中和与可持续发展的背景下，先进结构材料面临着轻量化、高强度、低成本与环境友好等多重挑战。传统金属材料如钢、铝合金虽在航空航天、建筑和交通领域广泛应用，但其自重过大、成本高昂及碳排放问题日益突出。竹材作为一种快速生长、碳汇能力强的生物质资源，展现出巨大潜力（图1a、b、c）。然而，天然竹材存在纵向强度高但横向强度低的显著各向异性问题，同时阻燃性和耐久性也相对有限。现有研究多依赖树脂增强或高强机械压制，虽提升了整体强度，却未能有效解决力学性能不均的问题，且往往导致密度增加。如何实现竹材在保持轻质的同时获得各向同性的超高力学性能，成为领域内亟待突破的关键。

针对上述挑战，四川大学肖霄副研究员、廖学品教授团队提出了一种名为“HoRo-Bamboo”的新型竹结构材料。通过构建离子-氢键网络（IHBN），团队成功将天然竹材转化为轻质、超强且耐用的结构材料。该材料密度仅为0.83 g/cm³，纵向和横向的拉伸强度分别高达631 MPa和628 MPa，首次实现了竹材在纵向和横向上的力学性能均一化，并展现出优异的阻燃性和环境耐受性（图1d）。生命周期评估表明，每生产1公斤HoRo-Bamboo仅排放1.67 kg CO₂当量，具备显著的低碳优势。相关论文以“Super-robust and sustainable bamboo structural material enabled by bonding network reconstruction”为题，发表在Nature Communications上。

图1 | 轻质高强 HoRo-Bamboo 的制造过程 a, 天然竹林的照片。b, 全球竹产区分布。c, 2020 至 2028 年全球竹产业统计与预测，以及竹材与部分工程木材的生长速率对比。d, HoRo-Bamboo 的特点优势。e, HoRo-Bamboo 的制造过程及 IHBN 的重建。f, 竹材原料与 HoRo-Bamboo 的照片。

研究团队通过三步法实现了这一突破（图1e）。首先，利用H₂O₂/O₃超分散处理在80°C下温和氧化竹材，有效脱除木质素和半纤维素，同时保留纤维素骨架（图2a）。成分分析显示，处理后竹材中木质素和半纤维素含量显著下降，纤维素得以大量保留（图2b）。该过程不仅使竹纤维松散、暴露出更多活性基团，还避免了传统化学脱木素对纤维的损伤。傅里叶变换红外光谱分析表明，木质素特征峰明显减弱，而羧基对应的C=O伸缩振动峰增强，证实了表面氧化反应的发生（图2c）。随后，通过真空浸渍引入Al³⁺，电感耦合等离子体质谱结果表明Al³⁺约占材料总质量的1%，有效结合率约为60%，且分布均匀（图2d）。Al³⁺与纤维素上的羧基、羟基等含氧基团发生配位与离子交联，形成稳定的三维桥接结构。分子动力学模拟显示，IHBN的结合应力显著高于天然结合网络和单纯氢键网络，且断裂后仍能保持较强的残余结合（图2e、f）。最后，将负载Al³⁺的纤维正交铺层并快速热压，重建出致密的离子-氢键网络。这一过程彻底改变了天然竹材中木质素-半纤维素的低强度氢键网络，使纤维间结合能大幅提升。

图2 | 化学成分变化与 IHBN 的重建 a, HoRo-Bamboo 制备流程示意图。b, 纤维素、木质素和半纤维素的含量分析。数值表示来自 n=3 个独立样本的平均值 ± 标准差。c, 天然竹材、分散竹纤维和 HoRo-Bamboo 的 FTIR 光谱。d, Al³⁺ 的相对含量和交联效率，样本组表示 HoRo-Bamboo 小切块的数量。e, 天然结合网络、氢键网络和 IHBN 的分子动力学模拟。应变表示分子在拉伸过程中经历的变形程度，应力反映不同相互作用网络抵抗这种变形所产生的内应力。f, 天然结合网络、氢键网络和 IHBN 的增强机制与比较。最右侧三幅图像是结合网络断裂后的快照。

扫描电镜和X射线显微镜成像揭示了材料内部的精细结构变化（图3a、b、c）。天然竹材中刚性的维管束与薄壁细胞之间存在大量孔隙，界面结合较弱（图3c）。超分散处理后，竹纤维细胞壁显著变薄，壁厚低至3.5 μm，并形成平均孔径为872.9 nm的开放孔道，为Al³⁺的渗透提供了通道（图3d）。拉曼光谱分析进一步证实了不同处理阶段竹材横截面的化学组成变化（图3b）。X射线显微镜三维数值模拟显示，热压之后，松散腔体被压缩成致密结构，细胞壁由于多层融合平均厚度增至10.15 μm，细胞间孔隙和导管完全坍塌（图3e）。这种结构转变使得纤维素链间氢键增强，同时Al³⁺被牢固“锁”在网络中，形成强度高达约500 kJ/mol的离子键，远高于氢键的17–30 kJ/mol。

图3 | 竹纤维的结构变化 a, 天然竹材、分散竹纤维和 HoRo-Bamboo 的 SEM 图像。b, 天然竹材、分散竹纤维和 HoRo-Bamboo 横截面的激光拉曼显微镜光谱。c, 天然竹材、分散竹纤维和 HoRo-Bamboo 的 XRM 3D 扫描分析。d, 天然竹材、分散竹纤维和 HoRo-Bamboo 的 XRM 内部 2D 成像分析。e, 竹细胞壁厚度变化的 XRM 数值模拟。

在力学性能方面，HoRo-Bamboo表现出卓越的各向同性强度（图4a）。与天然竹材相比，其纵向拉伸强度提高约485 MPa，横向拉伸强度提升约618 MPa，分别是致密化木材的1.5倍和14倍（图4b）。弯曲强度在纵向和横向均达到约350 MPa，其中横向弯曲强度比天然竹材提高了32倍（图4c）。密度测试表明，HoRo-Bamboo的密度为0.83 g/cm³，远低于传统金属材料，保持了竹材的轻质特性（图4d）。比强度达到760 MPa·g·cm⁻³，显著优于不锈钢和多种合金（图4e）。与已报道的加热竹、竹钢及竹基复合材料相比，HoRo-Bamboo在更低密度下实现了更高的拉伸强度（图4f、g）。在30 kN压缩载荷下，HoRo-Bamboo抗压强度达到64 MPa，仍保持完整，而天然竹材已发生破裂（图4h）。冲击韧性达到8.3 J/cm²，约为天然竹材的3倍（图4j）。穿刺测试表明，10 mm厚的HoRo-Bamboo在30%穿透深度时可抵抗538 N的最大穿透力（图4i）。相比于Ca²⁺和Fe³⁺交联的对照样品，Al³⁺构建的IHBN提供了最强的增强效果。正交铺层对实现双向高强度至关重要，而同向铺层的样品则表现出明显的力学各向异性。最终得到的HoRo-Bamboo表面平整光滑，具备良好的加工性能（图4k）。

图4 | HoRo-Bamboo 的力学优势 a, HoRo-Bamboo 与其他材料在强度、重量、可持续性、能耗和成本方面的综合比较。b, IHBN 带来的纵向和横向力学性能提升。c, 拉伸和弯曲力学均一性。d, 天然竹材、分散竹材和 HoRo-Bamboo 的密度比较。e, HoRo-Bamboo 与不锈钢和合金等其他工程材料的比强度比较。f, HoRo-Bamboo、加热竹、竹钢和竹基复合材料的拉伸强度比较。g, HoRo-Bamboo 与其他复合材料的拉伸强度与密度比较。h, 在 30 kN 加载压力下，HoRo-Bamboo 与天然竹材相比抗压强度提升的示意图。i, HoRo-Bamboo 对穿刺力的响应随穿刺深度的变化。j, HoRo-Bamboo 与天然竹材的冲击韧性。k, HoRo-Bamboo 的平整表面。数值表示来自 n=3 个独立样本的平均值 ± 标准差。

在耐久性方面，HoRo-Bamboo也展现出显著优势（图5a）。极限氧指数从25%提升至35%，引燃时间从49秒延长至63秒（图5b）。锥形量热测试表明，其总热释放量从31.1 MJ/m²降至15.2 MJ/m²，总烟产量在300秒时降低了约3.4倍（图5b）。热重分析显示，Al³⁺促进了纤维素快速脱水成炭，形成致密的炭层，有效隔绝热量和氧气。经过30天紫外老化后，HoRo-Bamboo的弯曲强度未出现显著下降；经表面涂覆处理后，在95%相对湿度环境下120小时，弯曲强度下降不足3%（图5c）。生命周期评估显示，HoRo-Bamboo的全球变暖潜能值为1.67 kg CO₂当量/kg，在几乎所有环境影晌类别中均优于聚乙烯和合金等传统材料（图5d）。

图5 | HoRo-Bamboo 的耐久性、稳定性和生命周期评估 a, HoRo-Bamboo 的稳定性和耐久性得到改善。b, HoRo-Bamboo 和天然竹材的阻燃性，包括 LOI、TTI、THR 和 TSP。c, 材料的环境稳定性和耐久性，包括不同样品的含水率影响、HoRo-Bamboo 紫外老化后的弯曲强度变化以及 HoRo-Bamboo 湿热老化后的弯曲强度变化。数值表示来自 n=3 个独立样本的平均值 ± 标准差。d, HoRo-Bamboo 的生命周期评估，包括 HoRo-Bamboo 生产过程中每公斤的环境影响以及 HoRo-Bamboo 的生命周期排放。

总结而言，HoRo-Bamboo通过重建离子-氢键网络，成功解决了天然竹材力学性能各向异性和密度增加的问题，在保持轻质（0.83 g/cm³）的同时实现了纵向与横向拉伸强度均超过620 MPa的突破性成果。该材料具备优异的阻燃性、耐候性和环境兼容性，有望在航空航天、汽车制造、风力发电叶片等领域替代金属合金、玻璃纤维和塑料等不可再生结构材料。研究团队提出的制造工艺具有良好的可扩展性，为其他木质纤维素材料的高效利用和竹基生物经济的发展开辟了新路径。