他們用造紙的原理,造出了比不銹鋼還硬的木刀

業界 | 2021-11-02 09:16:43
時間:2021-11-02 09:16:43   /   來源:       /   點擊數:()

木材是可再生的,且其生產加工過程不會對環境產生大規模污染,這在今天地球環境變化的背景下顯得尤其有價值。因此,不少材料學家重新把目光投向木材,希望將它發展成金屬和塑料的替代品。不過要實現這一點,首先要讓木頭變得可塑。

木質素如同木頭的“骨架”

要讓木頭變得可塑,我們先要明白木頭為什么這么“僵硬”。植物的微觀結構可以給出線索。

植物的細胞包裹在細胞壁中,細胞壁主要由纖維素、半纖維素和其他多糖組成,而它們之間的空隙被木質素填充。在植物的木質部中,細胞壁會經歷木質化過程,其中的木質素沉積下來,增加了細胞壁的厚度,使得木質部獲得較高的機械強度,足以支撐起整個植株??梢哉f,木質素就是木頭的“骨架”,它使得木頭機械強度高到可以做房梁和柱子,卻也使木頭失去了塑性,不容易發生形變。

想讓木頭變柔軟,第一步便是去除木質素。這個道理古人早就明白了,而且把它運用到一項我們熟悉的工藝中:造紙。拿到稻草、蘆葦稈、木屑這些原料后,一般都要用化學方法去除其中的木質素,得到以纖維素為主的紙漿,再進行后續加工。這種脫木質素過程是改造木材的一種常用方法。

木頭加工成紙張后,形狀可以輕易改變,卻也失去了機械強度,無法承受大重量的沖壓、拉扯。能不能找到一種方法,在不損失機械強度的前提下,讓木頭可以像紙一樣折疊?

處理后的木頭機械強度更高

近日發表于《科學》雜志的一項研究中,來自美國馬里蘭大學的研究人員把造紙的第一步用到了天然木材的處理上。

但與造紙不同,首先木材并沒有被打成木漿,研究人員處理的是一塊約3毫米厚的薄木板;其次脫木質素過程僅去除了大約55%的木質素和67%的半纖維素。經過脫木質素過程和烘干處理后,研究人員得到了一塊壓縮木頭。由于失去木質素的支持作用,木頭中的維管和纖維結構坍縮擠壓在一起,木頭變得致密,依然僵硬、無法彎折。

接下來研究人員將壓縮木頭浸入水中約3分鐘。經歷這一過程后,壓縮木頭中的纖維結構依然是坍縮的,但維管結構重新打開,讓木頭在微觀上有了空隙,有了形變空間,研究人員得到了可以塑形的木頭。這種木頭可以多次對折而不斷裂,這意味著它可以像紙一樣折疊成復雜的形狀。而折疊成想要的形狀后,只要在室溫下晾干,可塑木頭的形狀就固定下來了。

晾干后的木頭比天然木頭擁有更高的機械強度。據研究人員測量,這種可塑木頭沿木纖維方向的抗拉強度約為300兆帕,抗壓強度約為60兆帕,分別是天然木材的6倍和2倍。而且由于密度較低,在機械強度相同的情況下,用可塑木頭做的結構要比鋁合金做的輕得多。

解決木頭塑性問題的同時,研究人員也很好奇,最終成型的木材可以擁有多么高的硬度?在稍早一些發表在《物質》雜志的一項研究中,來自相同科研單位的研究人員探索了木頭的硬度極限。

研究人員依然先對天然木材進行脫木質素處理,得到以纖維素為主的樣品。之后用熱壓機在室溫和20兆帕的壓力下壓縮樣品,再加熱到105℃烘干。最后將樣品浸入食品級油中48小時,使木材表面獲得防水性。經過這種處理后,研究人員得到了硬化木頭的樣品。

研究人員用硬化木頭樣品做了兩把木刀,一把木纖維走向與刀刃平行,另一把木纖維走向與刀刃垂直。掃描電子顯微鏡成像顯示,兩種木刀都比普通鋼制餐刀鋒利得多。經研究人員演示,這種硬化木刀可以輕易切開半熟的牛排。

研究人員還用硬化木頭制作了木釘。經拋光處理的硬化木釘可以將三塊木板釘在一起,鋒利程度可與商用鋼釘匹敵且不易生銹。

(據《環球科學》)  

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