中科大俞书宏Science Advances：新型仿生人工木材

【研究背景】

木材，是人类应用最早和最广泛的轻质高强材料之一，其独特的取向孔道结构一直吸引着材料学家的兴趣。随着对木材结构和功能关系研究的不断深入，科学家们对通过仿木材取向孔道结构来实现轻质高强性能的课题产生了浓厚兴趣，因此，木材启发的仿生材料也逐渐成为仿生领域中的一大热点。取向冷冻技术是制备各向异性的取向孔道材料的常用方法，传统的仿木头材料主要是利用聚合物（如PVA，壳聚糖等）或陶瓷粉末经过取向冷冻技术制备而来，但是传统的仿木头材料不仅可调控性差，而且力学性能远低于天然木材，特别是陶瓷基仿木头材料还需要经过高温烧结（通常>1500 ⁰C）。因此，如何研制真正具有轻质高强特点的仿木材结构材料是仿生材料研究领域面临的挑战。

【成果简介】

最近，中国科学技术大学俞书宏教授课题组开发了一种冰晶诱导自组装和热固化相结合的技术，以传统的热固性树脂（如酚醛树脂和密胺树脂）为基体材料，成功研制了一系列的树脂基仿生人工木材。这种方法不仅可以很容易地与各种纳米材料复合来制备多功能的复合木头材料，而且很容易进行放大制备。所开发的酚醛树脂基仿生木材和密胺树脂基仿生木材不仅具有类似木头的取向孔道结构，而且其壁厚、孔道尺寸具有很好的可控性。研究发现，这种仿生木材具有很高的轴向压缩强度，与天然木材相当，优于传统的陶瓷基仿木头结构材料。由于采用树脂做为基体材料，人工木材表现出优异的耐水、耐酸腐蚀的特性，在水和酸溶液（pH3）中浸泡一个月强度没有任何影响。通过复合纳米材料，可以实现其优异的防火和隔热性能，结合其轻质高强的特点，这种新型仿生木材的综合性能优于多种气凝胶材料、工程材料和商业产品等。2018年8月10日，相关研究成果以“Bioinspired polymeric wood”在线发表在Science Advances上，中国科学技术大学的博士后于志龙和硕士生杨宁为该论文的共同第一作者。

【图文导读】

图1. 基于取向冷冻技术的传统树脂（酚醛树脂和密胺树脂）基仿生人工木材的制备过程、结构示意图和一系列仿生木材。

（A）树脂聚合物的混合溶胶，

（B）取向冷冻和干燥后具有取向孔道结构的聚合物干胶，

（C）固化后的树脂基仿生木材，

（D）酚醛树脂基（上：CPF）和密胺树脂基（下：CMF）仿生木材实物照片，

（E）利用不同的离子、纳米材料制备复合人工木材示意图，

（F）多种密胺树脂基的复合人工木材的实物照片。

图2. 天然巴尔杉木和人工木头的结构对比扫描电镜（SEM）照片。

（A-C）巴尔杉木和横纵切面的SEM照片。（D-F）典型的CPF人工木头材料和横纵切面SEM照片。

（G-I）典型的CMF基人工木头材料和横纵切面SEM照片。（J-L）酚醛树脂/石墨烯（CPF/GO）复合木头和横纵切面SEM照片。

（M）CPF人工木头材料的3D重构图像。

图3. 人工木头的力学性能表征。

（A）CPF和CMF的轴向压缩曲线，

（B）CPF样品的相对压缩强度、相对压缩模量与相对密度的关系，

（C）人工木材与自然材料和多种工程材料力学性能的Ashby图。

图4. 人工木材的耐腐蚀和隔热性能。

（A）人工木材在水和硫酸溶液中浸泡前后的力学压缩曲线，

（B）人工木材与巴尔杉木和商业酚醛泡沫的各向异性热导率的对比，

（C）各向异性孔道中热量传递机理示意图，

（D）人工木材和多种工程材料、气凝胶材料的热导率和比强度的对比图。

图5. 人工木材的防火性能和巴尔杉木的易燃性对比。

（a）CMF人工木材，

（b）CPF人工木材，

（c）CPF/GO复合木材，

（d）巴尔杉木。

 【小结】

研究人员利用取向冷冻和热固化相结合的技术，成功制备了一系列树脂基仿生人工木材，通过复合多种纳米材料可以制备多功能的复合人工木材，这类新型仿生人工木材具有轻质高强、耐腐蚀和防火隔热等优点，综合性能优异。这种新的仿生制备策略成功地将传统的商业树脂材料开发成高附加值的仿生工程材料，这类新型仿生工程材料的多功能性不仅优于传统的工程材料，而且有望代替天然木材，实现在苛刻条件下的应用。此外，这种合成方法为制备和加工一系列高性能仿生工程材料提供了思路，其功能的可设计性等优点有助于拓宽该方法和该材料在多种技术领域中的应用。

该工作得到了得到了国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点基金、国家重大科学研究计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心、合肥大科学中心卓越用户基金的资助。

论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaat7223

课题组主页：http://staff.ustc.edu.cn/~yulab/

本文由俞书宏教授课题组供稿，材料牛编辑整理。

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