科学家成功研发出一种能防水及防火的人造仿生木材

近年来，材料科学家不断从大自然中找寻灵感，仿造生物体的结构来合成高效能的新材料。中国科学家就从木材得到灵感，研发出一种比木材强韧，且具有防火和防水特性的人造材料。这种人造仿生木材未来有望取代天然木材，并应用于工程领域。

    仿生木材

    天然木材虽然很轻，却具有非常高的强度，这主要是来自木材内部的特殊结构。其独特的分层细胞结构及由木质素（lignin）、半纤维素（hemicellulose）形成的网络，再加上方向一致的纤维素丝，使得木材具有无与伦比的强度。另外，由于材料取得容易，成本较低，材料学家纷纷模仿木材内部结构，来创造出高强度材料。

    不过，木材虽然拥有高强度，却不耐水也不耐火。另外，传统上作为仿生木材基材的陶瓷材料不具有高强度又易碎，且热处理温度极高，通常要烧到摄氏1500度以上才能烧结成一体。

    为了解决这个问题，合肥中国科学技术大学（University of Science and Technology of China）的研究团队使用一种特殊材料来合成仿生木材。他们在一种水溶性高分子树脂（resin）溶液中加入一些甲壳素（chitosan）。当树脂溶液冷冻干燥后，就会生成一个具有微孔及孔洞通道的结构。甲壳素的胺基与树脂间具有强烈反应，可以避免结构变形，能帮助孔洞通道的支撑。接着，研究团队将树脂加热到摄氏200度进行热处理，让结构之间产生强力化学键结，以合成人造木材。

    防水又防火

    中国科学技术大学化学系教授俞书宏博士表示，这种仿生木材有两种强化机制。首先是通过快速的冷冻干燥，使材料内部产生更小的孔洞通道，以强化该材料。其次，较高温的退火温度也增强了树脂间的键结，进而增加材料的强度。

    另外，由于使用了水溶性的树脂，因此可以根据材料所需的性质，在树脂溶液中添加水溶性的金属离子或奈米材料，不仅制备方法简单，也能弹性调整材料特性。例如，可加入人造或自然纤维使其更耐压。此外，这种新材料不像天然木材一样，不需要花费多年生长，就能大量制备，且对环境友善。

    研究人员还测试了这种新材料的抗水及抗腐蚀力。研究人员将合成材料浸泡于水与硫酸溶液中30天，但材料的强度几乎没有弱化，反而是作为对照组的轻木树（balsa）样本，在类似的实验条件下强度减弱了三分之二，同时抗压性少了40%。这是因为这种新材料的本体树脂就具有抗腐蚀能力，且因表面不具亲水性，所以能够防水及抗酸蚀。

    这种新材料具有低密度及高孔洞率（porosity），因此比天然木材更具有良好的防火性。研究人员认为这些孔洞及通道，让热辐射只会在孔洞方向传导而不会往材料方向传播，因此能作为良好火源绝缘体。此外，即使将该材料放置于火源内，只要将材料移离火源，马上就会停止燃烧。基于上述这些优点，研究团队认为这种仿生木材具有替代天然木材于工程用途的潜力。