天然木材的獨特取向孔道結構賦予其輕質(zhì)高強的特點(diǎn)，有關(guān)仿木頭結構的研究是國際上仿生材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。然而，傳統的仿木頭結構材料是“徒有其型”，以往研究實(shí)現取向孔道結構的模仿，但其力學(xué)性能遠不能令人滿(mǎn)意。例如，目前開(kāi)發(fā)的陶瓷基仿木頭結構材料，密度高、強度低、缺陷多，且制備過(guò)程需要高溫燒結（通常>1500℃）。因此，如何制備真正具有輕質(zhì)高強特點(diǎn)的仿木材結構材料是仿生材料研究領(lǐng)域面臨的挑戰。

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書(shū)宏帶領(lǐng)的科研團隊，發(fā)展了一種冰晶誘導自組裝和熱固化相結合的新技術(shù)，以傳統的酚醛樹(shù)脂和密胺樹(shù)脂為基體材料，研制出一系列具有類(lèi)似天然木材取向孔道結構的新型仿生人工木材。該系列仿生人工木材具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕和隔熱防火等優(yōu)點(diǎn)。8月10日，相關(guān)研究成果以Bioinspired polymeric woods為題，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上，Science雜志科學(xué)新聞以This synthetic wood is as strong as the real thing—and won’t catch fire為題，對該成果進(jìn)行報道。論文的共同第一作者為博士后于志龍和碩士生楊寧。

　　研究人員研制的一系列樹(shù)脂基仿生人工木材，具有類(lèi)似天然木材的取向孔道結構，并且壁厚和孔尺寸具有很好的可調控性（圖1）。這種方法可以復合多種納米材料以制備多功能復合人工木材，而且簡(jiǎn)單高效，容易放大生產(chǎn)。這種取向孔道結構的人工木材具有突出的機械性能，壓縮屈服強度優(yōu)于已開(kāi)發(fā)的多種仿木結構的陶瓷材料，且與天然木材性能相當（圖2）。

　　與天然木材相比，仿生人工木材最大的優(yōu)勢在于其耐腐蝕性、隔熱和防火性能。研究中，由于選用熱固樹(shù)脂材料作為基體材料，所制備的仿生人工木材具有很好的防水、耐酸腐蝕的特點(diǎn)，在水和硫酸溶液中浸泡30天，其力學(xué)強度均沒(méi)有衰減。得益于其取向孔道結構和孔壁中復合的納米材料，與石墨烯復合的人工木材具有很好的徑向（垂直于孔道方向）隔熱效果，最低熱導率可達20.8 mW/mK（毫瓦每米每開(kāi)爾文）?？紤]到人工木材的高比強度（壓縮強度/密度），這種人工木材比其他工程材料和氣凝膠材料具有更好的實(shí)用性。

　　易燃性是天然木材在實(shí)際應用中面臨的最大問(wèn)題，而防火阻燃則是人工木材最大的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)復合不同的納米材料可以進(jìn)一步提高其防火隔熱性能。這種人工木材具有很好的防火性能，在火焰引燃后能夠迅速自熄滅，這正是天然木材無(wú)法克服的缺點(diǎn)（圖3）。

　　作為新型的仿生工程材料，其多功能性?xún)?yōu)于傳統的工程材料，這類(lèi)人工木材有望代替天然木材，實(shí)現在苛刻或極端條件下的應用。此外，這種合成方法為制備和加工一系列高性能仿生工程材料提供了新思路，其功能的可設計性等優(yōu)點(diǎn)將有助于拓寬該方法和制備的材料在多種技術(shù)領(lǐng)域中的應用。

　　研究工作受到了國家自然科學(xué)基金委創(chuàng )新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、國家重大科學(xué)研究計劃、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項目、中科院納米科學(xué)卓越創(chuàng )新中心、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng )新中心、合肥大科學(xué)中心卓越用戶(hù)基金的資助。

　　論文鏈接

　圖1.人工木頭的制備過(guò)程示意圖。（A）樹(shù)脂聚合物的混合溶液；（B）取向冷凍和干燥后具有取向孔道結構的聚合物干膠；（C）固化后的樹(shù)脂基仿生木材；（D）酚醛樹(shù)脂基（上）和密胺樹(shù)脂基（下）仿生木材實(shí)物照片

圖2.仿生人工木材的照片、結構和力學(xué)性能。（A）酚醛樹(shù)脂基人工木材與微觀(guān)結構；（B）密胺樹(shù)脂基人工木材與微觀(guān)結構；（C）人工木材的力學(xué)性能與其他工程材料對比圖。

　圖3.人工木材的防火性能和巴爾杉木的易燃性對比。（a）CMF人工木材；（b）CPF人工木材；（c）CPF/GO復合木材；（d）巴爾杉木。