ADVANCES IN TOP-DOWN MULTISCALE STRUCTURAL DESIGN OF WOOD-BASED MATERIAL
-
摘要: 在全球气候变暖危机和“双碳”战略的大背景下, 开发使用木基材料替代传统结构或功能材料, 可以大大降低能源消耗, 减少碳排放并增加碳封存量, 对改善生态环境、实现绿色可持续发展具有重大意义. 近年来, 为了开发利用木质资源并提升传统木基材料的宏观性能, 不少学者通过自上而下的“两步改性”策略实现了木材中从微观尺度到宏观尺度的多尺度结构设计调控, 从而赋予了木基材料诸如高强度等不同的宏观性能, 为开发设计可持续、绿色低碳的高性能木基材料开辟了新的天地. 基于此, 文章围绕木基材料中自上而下的多尺度结构设计策略进行了详细综述: 首先简要概述了木材天然具备的跨尺度多层级结构, 接着综述了微观尺度下木基材料中由纤维素主导的力学行为机制, 其次从细胞壁工程的角度回顾了不同微结构调控策略以及得到的具有不同性能的木基材料, 随后简要综述了近期木基材料的功能化应用新进展. 最后总结了现有木基材料多尺度结构设计方面存在的不足并提出了相应的研究展望.Abstract: In the context of the global warming and the "carbon peaking & carbon neutrality" strategy, it is necessary to develop and use wood-based materials as an alternative to traditional structural and functional materials as a means to reduce energy consumption and greenhouse gas emissions, as well as to increase global carbon storage as consequence. Such development and replacement are of great significance for the preservation of the natural environment and for the achievement of a sustainable development in human society. During the past few years, in order to develop and utilize abundant wooden resources and improve the macroscopic performance of traditional wood-based materials, many researchers have been successful in achieving multiscale structural design and control from the microscale to the macroscale in natural wood with a top-down "two-step modification" approach. By modifying wood-based materials in such a way, researchers successfully equipped wood with various excellent macroscopic properties such as high mechanical strength, thus opening up a new field for developing and designing environmentally friendly high-performance wood-based materials that are sustainable and green. On the basis of such a background, this paper presents a review of recent top-down multi-scale structural design strategies for wood-based materials. First of all, there was a brief introduction to the inherent hierarchical structure of natural wood. Then, at microscale, the mechanical behavior and mechanism dominated by cellulose in high-performance wood-based materials were discussed. Subsequently, different strategies for modifying and regulating wood microstructures and the corresponding obtained wood-based materials with different macroscopic properties were reviewed from the perspective of cell wall engineering. Finally, a brief review of the latest developments in functionalized use of wood-based materials was presented. At the end of this paper, a summary of the insufficiency of existing multiscale structural design and modification strategies of wood-based materials was concluded, and the corresponding research prospects were given as potential solutions.
-
Keywords:
- wood /
- top-down method /
- hydrogen bond /
- microstructure modification /
- mechanical property /
- functionality
-
引 言
21世纪以来, 温室气体(CO2等)排放引起的全球变暖危机已对人类健康及社会可持续发展造成了日益显著的威胁. 与1901 ~ 1960年相比, 1986 ~ 2016年期间全球年平均气温上升了0.7 °C以上[1]. 据统计, 目前每年全球CO2排放总量约3.6 × 1010 t[2], 主要由化石燃料燃烧导致; 同时, 各类结构和功能材料的生产往往消耗大量能量, 例如每吨铝生产的耗电量为17000 kWh[3], 此外石油基材料是不可再生的, 进一步加重了地球的环境污染. 因此如何实现绿色低碳可持续发展成为全人类面临的共同挑战. 2021年10月24日, 中共中央、国务院印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出大力发展绿色低碳产业[4], 其中特别提到要加快发展新材料与绿色环保新兴产业. 现有的结构材料与功能材料在“双碳”目标要求下, 由于本身的生产高能耗及高成本亟需改革与发展. 因此开发和使用低碳甚至负碳的材料, 最大限度地替代塑料、钢材和水泥等材料, 增大碳固存, 降低碳排放, 对于改善生态环境、实现可持续发展具有重大意义, 亦是实现碳达峰和碳中和的重要途径之一.
木材作为一种可再生、可持续的天然生物质材料, 存量巨大且成本低廉, 千百年来被人类广泛应用于建筑、家居和器具等领域[5]. 在全球范围内, 超过30%的陆地被森林覆盖[6], 可供利用的树木高达约3 × 1012棵(每人约400棵)[7]. 《2021中国林草资源及生态状况》显示[8], 我国森林面积3.46 × 109亩, 森林覆盖率24.02%, 森林蓄积量1.9493 × 1010 m3, 草地面积3.968 × 109亩, 草原综合植被覆盖度50.32%, 鲜草年总产量5.95 × 108 t, 林草植被总碳储量1.1443 × 1010 t, 呈现数量持续增加、质量稳步提升的趋势. 在木材利用方面, 据联合国粮食及农业组织统计, 2020年世界圆木工业产量约为3.9 × 1013 m3[9], 保持在较高水平. 在低成本及产量大的基础上, 木材还具有低碳排放、高碳固存的优点. 在生产碳排放方面, 加工1 m3木材(规格材)碳排放仅为30.3 kg, 约是钢材的1/500, 同时使用1 m3人造板替代钢材可减排CO2约14 t[10]. 在碳固存方面, 据估计每千克干燥木材在其光合作用期间可固定CO2约1.8 kg[11], 而在未来如果城市新建建筑均为木质结构建筑, 则每年至多可固碳约6.8 × 108 t[12]. 巨大的存量、广泛的应用以及木材本身的绿色低碳性, 使木材在未来绿色环保新材料的开发研究中展现出巨大的潜力.
木材的主要成分纤维素(占比约40% ~ 50%, 其余为半纤维素和木素等)具有较低的密度( ~ 1.5 g/cm3), 在纳米尺度下强度可达7.5 GPa, 远超大部分金属、合金和复合材料[13], 然而传统的加工利用方法未有效发掘木材中纤维素的潜力, 导致木材的力学性能难以满足现代化工程应用领域需求. 近年来有不少方法从木材等天然材料中提取出纳米纤维素, 然后通过多种自下而上的组装策略进行材料设计制备, 得到了具有不同序构特征(例如仿贝壳结构)的高性能纤维素材料[14-18]. 这种自下而上的方式通过多尺度的序构设计有效发挥了纳米纤维素的优异性能, 并且实现了微观结构的精细化调控, 可根据宏观材料性能需求采取不同的结构设计策略. 然而, 现有技术难以实现低成本、大规模的多尺度结构加工与组装, 通过自下而上策略制备大尺寸宏观材料仍然是一大挑战. 此外, 提取纤维素和复杂的材料制备过程往往需要消耗大量的能源、化学药品和水, 这反而破坏了木材等木质资源本身优异的绿色低碳性[19-20]. 针对上述现状和瓶颈, 学者们提出了自上而下的“两步改性”策略: 首先通过化学处理选择性地去除木材中的木素和半纤维素, 在提高纤维素相对含量的同时保留了木材的天然结构, 接着通过不同物理/化学方法进一步调控介观尺度组织结构, 从而实现不同的宏观结构性能及功能性设计[6, 21-22]. 这种“两步改性”的思路通过自上而下的方法, 充分利用了木材中天然的多尺度结构, 低成本地实现了纤维素材料从纳米尺度到厘米尺度的微观结构设计, 赋予了天然木材新的性能和功能, 为大规模开发利用可持续、绿色低碳的高性能木基材料开辟了新的天地[23-27].
本文将从木材的多尺度微观结构入手, 在揭示木材不同尺度结构特征的基础上, 分别从微观力学机制及微结构调控设计角度综述“两步改性”策略对木材多层级微观结构的调控手段、对宏观性能的作用规律, 以及实现的功能化应用.
1. 木材的跨尺度结构
亿万年来, 木材已经自然地进化出在尺度上跨越多个数量级的多层级结构, 并利用这些结构在每个尺度上为自身提供不同的功能以支持树木的生长. 如图1所示, 木材在宏观尺度表现为正交各向异性材料, 不同树种或是不同生长时间下的材料特性不尽相同; 在介观尺度上, 木材表现出多孔结构特性, 细胞壁是多孔结构的实体物质; 在微观尺度下, 细胞壁具有复杂的多层结构, 主要由纤维素、半纤维素和木素按照一定比例和特定组织结构构成[28-33].
宏观尺度上, 天然木材具有高度的各向异性, 一般可简化为正交各向异性材料. 为了描述木材的力学性能, 人们依据木材的生长特征引入了柱坐标系, 其中3个方向分别为: 纵向L (longitudinal, 沿树干方向), 径向R (radial, 沿树干的半径方向), 弦向T (tangential, 沿年轮方向). 一般来说, 木材的径向模量ER为弦向模量ET的1.5 ~ 2.0倍, 而纵向模量EL则比其余两个模量高出一个数量级[34].
在细胞和组织尺度上(介观尺度), 木材呈现出定向的多孔结构, 孔壁即为木材的细胞壁. 不同树种木材的多孔结构往往具有不同的特征, 主要分为针叶材和阔叶材两大类. 针叶材微结构单元较为简单, 管胞是针叶材中最主要的细胞. 管胞两端封闭, 内部中空, 平均长度为2 ~ 4 mm, 而平均直径一般为其长度的1/100, 即0.02 ~ 0.04 mm; 其在轴向截面上规则排列, 约占了针叶材细胞总数的90% ~ 95%. 管胞兼具了运输水分及作为结构支撑的双重作用, 是决定针叶材力学性能的主要部分[28]. 相比于针叶材, 在进化过程中更晚出现的阔叶材中的细胞种类较多, 包括木纤维、导管、管胞、木射线和薄壁细胞, 因此其介观组织结构也比针叶材复杂. 木纤维是阔叶材中最主要的细胞, 它0.8 ~ 1.6 mm长、14 ~ 40 μm宽, 在阔叶木中占比一般为60% ~ 80%. 木纤维的空腔小、细胞壁厚实, 它为阔叶材提供了主要的力学性能. 而空腔更大的导管主要用于水和营养运输, 长度约0.3 ~ 0.6 mm、宽度约30 ~ 130 μm. 其余细胞占比较少, 用于径向输运以及养分储存等[6]. 总的来说, 木材的结构多样性主要表现在细胞和组织水平, 这导致不同树种的木材密度不同(约0.15 ~ 1.2 g/cm3), 不过不同树种之间的细胞壁在结构上非常相似, 这反映在他们具有相似的细胞壁密度(约1.55 g/cm3)[35].
在细胞壁尺度上木材细胞主要由纤维素、木素和半纤维素按照特定组织结构构成. 木材细胞壁具有多层结构, 通常由初生壁(P层)和次生壁(S1, S2和S3层)以及位于相邻两个细胞/管胞之间的胞间层(ML)组成[36]. 值得注意的是, S2层的厚度为5 ~ 10 μm, 约占细胞壁总体积的70% ~ 90%, 从而使S2层在决定细胞壁性能, 尤其是力学性能方面占据主导作用[37]. 微纤维在不同层中以不同角度螺旋缠绕构成了壁结构, 例如S1层的微纤维缠绕角度为50° ~ 70°, S2层的微纤维缠绕角度为10° ~ 20°, S3层的微纤维缠绕角度为60° ~ 90°, 而在P层中的微纤维呈现出随机取向的特征[38-39]. 从化学组成角度来讲, 这些微纤维的主要成分是纤维素, 这是一种由葡萄糖单元通过共价键及氢键连接而构成的线型高分子聚合物, 为木材提供了优异的力学强度基础[40-41]. 其次微纤维中还含有木素和半纤维素, 其中木素是由带苯环的基本单元(对香豆醇，松柏醇和芥子醇)通过碳−碳键和醚键相互连接形成三维网络结构[42-43], 而半纤维素则是以由己糖(葡萄糖、甘露糖和半乳糖)和戊糖(木糖和阿拉伯糖)组成的无定形碳水化合物聚合物[44]. 另一方面, 从微纤维的结构角度来讲, 纤维素原纤维、半纤维素和木素形成了以纤维素纤维为增强相的天然纤维基复合材料. 具体而言, 多条纤维素分子链组成宽度约3 nm的纤维素原纤维, 这些原纤维(包含结晶区和非结晶区)在半纤维素以及木素的包裹下结合成宽度约10 ~ 25 nm的原纤维束, 大量原纤维束平行排布结合, 以微纤维的形式组成了木材的细胞壁[45-46].
总的来说, 木材具有从厘米到纳米的多层级微观结构, 从而决定了木材的宏观力学性能及特定生物功能[32, 36, 47-49]. 因此, 通过对木材各个尺度上特定的微观结构调控改性, 可以实现新型木基材料不同的宏观性能[50].
2. 纤维素主导的微观力学机制
早期的改性策略主要侧重于木材的尺寸稳定性、结构稳定性以及表面改性等[51-52], 并未利用纤维素优异的力学性能, 也未对木材的微观结构进行调控. 近年的改性策略主要通过化学手段部分或全部脱除木材中的木素和半纤维素, 一方面导致了木材细胞壁中纤维素含量的提升, 另一方面使细胞壁中纤维素纤维间暴露出了更多的微米和纳米空隙, 使得充分利用纤维素的性能成为可能[22-23]. 化学改性获得的木材骨架中纤维素的本征性质及纤维素等组分间的界面作用往往是木基材料宏观力学性质发生变化的主要原因. 因此, 揭示纤维素之间及木材细胞壁中不同组分之间的作用机制是实现高性能木基材料设计的前提. 本节将从纤维素中氢键作用及纤维素纤维间物理作用机制两方面综述近期学者们进行的相关研究, 揭示木基材料微观结构改变后由纤维素主导的力学行为对宏观性能的影响机制.
2.1 纤维素材料中的氢键行为
纤维素是由葡萄糖分子组成的线型链状高分子聚合物(C6H10O5)n, 聚合度n可达10000 ~ 15000, 其中两个葡萄糖分子之间通过C-O-C共价键相连, 同时由于葡萄糖分子环上的羟基和氧原子的存在, 可在纤维素分子链内及链间形成氢键网络, 使得纤维素性质稳定且在轴向上具有较高的刚度[13]. 在纤维素原纤维中, 多条纤维素分子链高度有序排列, 通过范德华力及氢键形成结晶区域, 此外也存在少量分子链无序排布区域. 结晶区纤维素的强度可达7.5 GPa, 说明虽然氢键作为非共价作用力键能较弱, 但是通过纤维素分子链上的大量氢键及高度序构排列可为纤维素的界面提供较强的内聚力, 因此纤维素链内及链间的氢键作用对宏观力学性能的影响不可忽视.
纤维素的链内氢键主要影响纤维素的本征力学属性. 例如Hou等[53-54]通过分子动力学发现链内氢键在超低温下的分子杠杆效应可有效提升CNC(纤维素纳米晶)的强度及韧性(图2(a)), 此外他们还模拟了CNC在轴向压缩时出现的本征扭结变形, 并根据稳定扭结CNC的几何特征得到了约60°的本征扭结角.
![]()
另一方面, 纤维素链间的氢键主要影响纤维素之间的界面结合, 对木基材料的宏观性能具有较大影响. 纤维素的链间氢键随着纤维素分子链相对滑动时会呈现出断裂和重构的特点, 这使得纤维素链发生长距离相对滑动时界面结合力可维持较高水平, 同时耗散大量能量[55]. Li[56]和Zhu等[57]通过分子动力学模拟揭示了氢键生成−破坏−重构的微观机制, 发现随着纤维素分子链的相对滑动, 能量曲线呈现峰值−谷值−峰值交错出现的锯齿形, 正好对应链间氢键的断裂与再生(图2(b)). 此外, Sinko等[58]通过分子动力学研究了纤维素横向(沿(110)-(110)晶界)剪切时的氢键行为, 发现随着横向剪切过程的发生, 由于羟基基团之间距离的变化, 当纤维素分子链足够靠近时, 氢键的数量有局部最大值, 而当分子链错位时羟基基团间距扩大, 氢键数量呈现出局部最小值, 于是在整个剪切过程中氢键数量也呈现出锯齿状变化, 如图2(c)所示. 这说明纤维素纤维在界面结合形成氢键后, 无论沿哪个方向剪切滑动, 大量氢键的断裂和重构都可以保证纤维之间的内聚力保持较高水平, 同时耗散大量能量, 这在宏观上表现为材料的韧性大幅提高. 通过实验, Zhu等[57]发现不同直径纤维素纤维构成的纤维素纳米纸, 其强度和韧性均随着纤维的直径减小而同步增大, 验证了上述基于氢键的强韧化机制(图2(d)).
此外, 不少学者也在理论方面针对纤维素界面的氢键作用进行了分析. Meng等[59-60]基于纤维素纤维之间氢键的线性滑移假设, 推导了定向以及随机取向纤维素纳米纸的模型, 发现材料宏观杨氏模量、强度、断裂韧性均随着纤维直径的减小、纤维长度的增大和氢键密度的增大而增大, 且纤维取向对纤维素纳米纸断裂韧性影响较大(图3(a) ~ 图3(b)). 在此基础上Meng等[61]还采用多尺度的裂纹桥接模型研究了定向纤维素纳米纸裂纹扩展时裂纹尖端的纤维拔出及桥接行为. 研究表明纤维素纳米纸中裂纹沿垂直纤维方向稳定扩展时, 应力强度因子中包含由桥接应力引起的额外部分, 其中桥接应力与纤维间的滑动剪切强度、纤维有效桥接长度线性正相关, 与纤维直径成反比, 因此更大的氢键密度、更长更细的纤维可以有效提高纤维素纳米纸的断裂韧性(图3(c)). 在裂纹敏感性方面, Chen等[62]通过实验测定了具有不同纤维形态的纤维素纸的断裂内聚尺寸(fractocohesive length), 发现纤维素纸中纤维素纤维的长径比越大, 则材料的断裂内聚尺寸越大, 从而使纤维素纸的裂纹敏感性下降. 此外, 如图3(d)所示, He等[63]通过拓展界面本构关系, 研究了不同非共价作用界面主导的纳米复合材料变形行为, 并提出了界面主导的层状纳米复合材料的变形模式相图. 上述这些研究揭示了纤维素链内及链间的特殊氢键行为, 为界面氢键主导的纤维素材料强韧化设计提供了理论指导.
![]()
然而在木基材料实际使用过程中除了纤维素之间的氢键结合作用外, 木材细胞壁中纤维素与半纤维素之间也存在着氢键结合, 两者均为亲水性聚合物, 因此水分会影响它们之间的界面氢键作用, 从而影响材料的宏观性能[64]. Zhang等[65]通过分子动力学对天然木材细胞壁不同含水率下的力学行为进行了研究. 研究表明, 随着细胞壁中含水率的增加, 水分子会优先占据纤维素与周围半纤维素中的空隙, 同时破坏纤维素与半纤维素之间的氢键连接, 从而降低了纤维素与半纤维素之间的剪切强度(图4(a)). 由于纤维素与半纤维素/木素基体之间的塑性剪切变形行为由界面处材料屈服以及“可自愈”的界面主导[66], 因此水分对纤维素与基体之间界面的破坏会导致木材软化, 这种现象在Kulasinski等[67]的原子尺度模拟研究中也得到了证实(图4(b)).
![]()
相比于纤维素与半纤维素之间的氢键作用, 纤维素与纤维素之间的氢键行为更为重要. Hou等[68]利用分子动力学研究了水分对纤维素之间剪切行为的影响, 发现随着界面含水量的增加, 虽然纤维素整体杨氏模量几乎不变, 但是在含水量小于3.75 H2O/nm2时, 纤维素纤维的断裂应变和强度均增加, 表现出明显的硬化现象, 如图4(c)所示. 这是因为少量的水分子在纤维素界面之间形成了CNC-Water-CNC氢键, 从而有效促进了界面上的应力传递, 延缓了应变局域化过程. 实验也表明, 当相对湿度不超过30%时, 这种应变硬化效应使得纳米纤维素薄膜的强度大幅度增加. 然而过多的水分子会形成大量Water-Water氢键, 其强度远小于CNC-CNC氢键以及CNC-Water-CNC氢键, 导致界面弱化, 无法有效传递载荷.
总而言之, 多尺度的氢键界面作用机制有效调控了纤维素材料从微观到宏观的一系列力学行为. 因此, 通过不同设计策略在多个尺度上放大氢键主导的界面作用, 可以进一步提升纤维素材料的力学性能. 例如在微观尺度下, 提高纤维素链间氢键密度, 可以增加氢键的动态断裂−重构行为, 从而大幅增加材料受到外载荷时的能量耗散. 其次在介观尺度下, 通过选取具有更高比表面积的纤维素微纤维, 可以增大界面接触面积, 同时通过选取更长的纤维素微纤维可以提高纤维间的载荷传递能力, 这两种手段均可以充分利用氢键从而增强纤维间界面. 此外, 通过微结构设计(例如仿贝壳设计和调整纤维排布)可以进一步提升材料断裂韧性或拉伸强度. 最后, 利用水分对纤维素界面行为的影响机制也可实现材料宏观力学性能的调控.
2.2 纤维素纤维间物理作用机制
在氢键界面作用的基础上, 木基材料中的微纤维在受到外载荷时纤维之间的相互作用机制对于宏观材料的性能也会有较大影响. 对于介观尺度下大量纤维相互作用的场景, 利用粗粒化模型(corse-grained model)可有效降低计算量并得出较为准确的结果. Zhang等[69]通过粗粒化(CG)模型研究了植物表皮细胞壁中不同组分(纤维素纤维、木聚糖及果胶基体)之间在受到外界载荷下的相互作用行为. 研究表明当细胞壁受到拉伸时, 取向与拉伸方向夹角较小的纤维素纤维会首先由弯曲松弛状态伸展开来, 在完全伸直后会与周围纤维产生非共价键相对滑动, 而取向与拉伸方向夹角较大的纤维则会发生弯曲或是重定向, 如图5(a)所示, 因此细胞壁的力学性能主要由其中的纤维素纤维及其排布决定. 此外, 模型研究还发现细胞壁的塑性形变可能来自于微纤维之间的相对滑移. Qin等[70]利用多层级的粗粒化模型研究了纤维素纳米纸的变形与失效. 他们将具有3个重复葡萄糖单元的36条纤维素分子链视为一个粗粒, 并使用这样的粗粒构建了一个具有“砖−泥”层状结构的代表性体积单元, 以此计算纤维素纳米纸的宏观力学行为. 他们发现纤维之间的非键合作用通过剪切载荷传递缓解了纤维滑移现象, 并可以有效提升纤维素纳米纸的韧性. 进一步地, Ray等[71]基于多尺度的粗粒化模型, 通过3个尺度上的等效建模得到了随机分布的纤维素纤维网络, 并对其进行了单轴拉伸模拟. 结果表明随着拉伸载荷的增大, 纤维网络由于纤维间相互滑动呈现出局部变形以及应力集中, 此外研究也发现纤维素网络的拉伸比强度随着纤维素纤维的长度增大而增加(图5(b)). 除了纤维素纳米纸, Shishehbor等[72]提出了一种针对由纤维素纳米晶(CNC)构成的材料的粗粒化模型, 他们将纤维素链中的一个重复单元作为一个粗粒, 并考虑了链内和链间的键合作用. 通过这样的模型可以有效模拟一束纤维素纳米晶的弯曲破坏过程, 亦可有效计算具有不同界面强度的纤维素纳米晶层错堆叠结构的力学性能. 此外, 通过粗粒化模型可以研究不同尺寸纤维素纤维对材料宏观力学性能的影响. 例如Wang等[73]通过粗粒化模型研究发现纳米级纤维薄膜的断裂能比微米级纤维薄膜的断裂能高17倍. 另外, 若同时将纳米级与微米级纤维复合, 得到的复合纤维薄膜的断裂能可以进一步提高, 他们将其归因于粗细纤维的复合提升了纤维之间的等效滑动距离, 从而耗散了更多的能量(图5(c)). 因此, 在氢键界面强化的基础上, 通过对木基材料中微纤维形态的调控(例如改变几何尺寸), 并改变不同纤维之间的分布特征(例如改变取向性), 有望实现宏观力学性能的进一步提升.
![]()
3. 基于木材细胞壁工程的微结构设计
在木材的长期使用过程中, 已经有不少的方法对木材进行加工改性, 进而改善木材的宏观性能. 例如对天然木材进行冷轧、蒸汽热压、填充复合等处理可以使木材的强度得到提升(可达 ~ 200 MPa)[74-77]. 然而上述调控手段多为宏观加工改性, 并没有发挥和利用纤维素本身的性能和木材的多级结构, 导致木材的性能提升有限, 难以满足现代化工程应用领域的需求. 因此, 基于自上而下的细胞壁工程改性策略, 有望通过前述的“两步改性”思路对木材的细胞壁微结构进行调控设计, 来制备一系列性能优异的木基材料(致密化木材、透明木材、弹性木材、柔性木材等). 本节主要对上述材料的设计研究进展进行综述.
3.1 致密化木材
压缩致密化的结构设计思路在天然木材的改良中已较为成熟[78], 其思想主要为去除木材结构中空腔的占比从而有效发挥木材细胞壁的力学性能, 不过这种思路受制于孔道难以完全致密、细胞壁本身强度不高等问题而提升效果有限. 基于“两步改性”策略, 通过化学处理部分脱除木材中木素、半纤维素后木材细胞壁被软化, 使得完全致密化成为可能. 同时, 化学处理后木材细胞壁中暴露出更多的纤维素, 在致密化过程中可以形成大量氢键实现界面强化, 从而大幅提高木基材料的力学性能.
利用这样的思路, Song等[79]首先通过NaOH/Na2SO3溶液处理天然木材部分脱除了木素和半纤维素, 接着通过100 °C热压实现了木材的完全致密化, 使细胞壁上的纤维素纤维之间形成大量氢键, 有效增强了细胞壁间的界面结合. 这种通过氢键界面增强及孔道完全致密化的结构设计, 一方面发挥了高度定向排列的纤维素纤维的优异性能, 另一方面尽量减少了木材中的缺陷, 最终得到的致密木材拉伸强度高达587 MPa, 但密度只有1.3 g/cm3, 比强度高于钛合金在内的大部分金属和合金材料(图6(a)).
![]()
类似地, 不少研究也通过木素脱除及致密化处理增强了木材的力学性能[80-85]. 例如Frey等[81]通过对完全脱除木素的木材同时施加压缩力和侧向支撑力来实现木材的致密化, 最终得到致密木基材料的弹性模量从天然木材的13 GPa提高至35 GPa, 抗拉强度从天然木材的80 MPa提高至270 MPa, 同时也发现相对湿度以及压缩的致密度对材料的力学性能有影响(图6(b)). He等[82]通过对完全去除木素并漂白的木材进行部分致密化得到了一种高强白木头, 密度约为0.7 g/cm3, 强度可达160 MPa. Zhu等[83]同样对漂白后的木材进行完全致密化压缩得到了各向异性的透明木材薄膜, 拉伸强度可达280 MPa, 断裂功为7.83 MJ/m3. Gan等[84]制备得到了厚度减少97%的木材薄膜, 强度可达342 MPa, 如图6(c)所示, 并利用其较为优异的柔性及力学性能制作了木基薄膜扬声器. 此外, Gan等[85]发现完全致密化后的木材由于阻隔了氧气向木材组织中的渗入而展现出较为优异的阻燃性.
在化学改性/致密化处理的基础上, Chen等[86]通过油处理得到了防水超硬木头, 其布氏硬度相较于天然木材提升23倍, 已可以替代传统材料制作刀具、钉子等实用器具(图6(d)). Fang等[87]通过控制化学处理过程中纤维素的降解, 得到了高聚合度的致密木材, 拉伸强度可达约1 GPa, 并且基于实验结果初步揭示了木材中纤维素聚合度与木素脱除率对强度的协同调控机制. 与木材类似, 竹材也可以通过化学处理并进行孔道致密化. 如图6(e)所示, Li等[88]通过对竹子部分去木素和热压, 得到的超级竹子强度可达约1 GPa, 断裂功约为9.74 MJ/m3, 同时得益于低密度, 其比强度高达777 MPa/(g·cm−3), 超过大多数金属等结构材料.
通过化学处理软化细胞壁, 除了有利于木材的完全致密化, 也可以对木材进行塑形加工. Xiao等[89]对化学处理木材干燥收缩后进行“水冲击”, 释放了部分干缩结合在一起的孔道, 使木材在垂直于纤维方向具有了一定的拉伸/压缩能力, 从而实现了木材垂直纤维方向的弯曲. 在模具下干燥定型后, 木材具有约300 MPa的拉伸强度及约0.75 g/cm3的密度, 并且通过塑形得到的木材蜂窝与Al-5052蜂窝具有相似的抗压强度(图6(f)). 此外, Luo等[90]通过对木条进行碱处理软化后塑形, 实现了沿纤维方向的大曲率弯曲(曲率可达1854 m−1), 并利用模具塑形制造了木基仿生种子. Khakalo等[91-92]通过化学处理去除木材中木素后使用离子液体填充木材孔道, 使其进入可塑形的弹性状态, 接着在借助模具热压定型后实现了木材的三维成型. 然而, 目前可以成功塑形的木基材料强度低于前述的高强度致密化木材, 仍然有提升空间, 因此如何同时实现木基材料的高强度及塑形加工仍然是目前高性能木基结构材料广泛应用所面临的难题.
3.2 高性能木基复合材料
通过化学处理脱除木材中的木素和半纤维素后, 木材细胞壁中会暴露出更多的纳米和微米孔隙, 纤维素表面也会暴露出更多的羟基, 从而有利于增强填充物与木材纤维素之间的界面结合, 在提升木材性能的同时赋予木材新的功能性[93-103].
Kong等[95]将去除木素木材和聚丙烯酰胺水凝胶结合, 开发出一种兼具高拉伸强度和柔性的各向异性木基水凝胶, 木材中定向排列的纳米纤维素(CNFs)大幅增强了单一聚丙烯酰胺水凝胶的力学性能, 在沿纵向纤维方向上拉伸强度可达36 MPa, 同时由于纤维素表面电荷及纳米孔道有利于离子传输, 使其离子电导率可达5 × 10−2 S/m, 如图7(a)所示. 类似地, Chen等[96]通过对木材进行脱木素处理获得了排列整齐的纤维素骨架, 然后与丙烯酰胺原位聚合, 制备出具有各向异性结构的高强木基水凝胶. 该木基水凝胶力学性能得到了显著提升, 杨氏模量、拉伸强度和伸长率分别为145.52 MPa, 16.47 MPa和约15.99%.
![]()
Shams等[97-99]使用酚醛树脂浸渍部分脱除木素的木材并进行压缩, 使纤维素与树脂间紧密结合并形成大量氢键, 从而得到高性能木基复合材料. 通过对得到的复合材料进行弯曲测试, 发现与树脂复合后其抗弯强度和杨氏模量可分别达到280 MPa和27 GPa, 相较于天然木材有较大提升. 进一步地, Yano等[100]选取了微纤丝角较小的木材并通过化学处理完全去除了木素, 接着用酚醛树脂填充木材孔道并压缩得到了力学性能优异的木基复合材料, 其拉伸强度可达670 MPa, 杨氏模量可达62 GPa. 类似地, 如图7(b)所示, Frey等[101]使用环氧树脂填充了完全去除木素的木材骨架并压缩, 在较高的压缩率下, 这种木基复合材料的弹性模量和拉伸强度分别可达约70 GPa和600 MPa, 他们将这种刚度远超复合材料混合律上界的现象归因于树脂与木材骨架的良好结合所带来的应力传递优化.
除了上述通过填充木材孔道提升材料的力学性能外, 也有研究发现通过在木材孔道中填充具有与纤维素折射率相匹配的聚合物, 可获得具有高透明度的木基复合材料, 在建筑、家具等领域有较大的应用潜力[102]. 透明木材的设计制备主要有两步: 第一是通过化学处理脱除了深色的木素, 并完整保留了木材纤维素的骨架结构, 第二是填充与木材本身折射率相近的聚合物, 有效减少了木材的漫反射效应. 早在1992年, Fink[103]首次报道了透明木材的制备, 他在漂白的木材中原位聚合出包含低折射率和高折射率的共聚聚合物从而实现了木材的透明, 但主要用于木材微观结构的表征, 并没有研究基于透明化的功能性应用. 近年来大量研究[104-108]也通过化学处理并填充聚合物制备得到了透明木材. 例如Zhu等[106]脱除了木材中几乎所有的木素和部分半纤维素, 使聚合物易于填充细胞腔形成木材−聚合物复合材料, 由于聚合物与纤维素结合良好且具有与纤维素相似的折射率( ~ 1.53), 得到的透明木材在径向上的光学透明度高达90%, 在纵向上的光学透明度接近80% (图7(c)). Jia等[109]通过化学处理完全脱除了木材中的半纤维素和木素, 进一步减轻了光的散射, 在透明木材具有高透明度的同时实现了约10%的低雾度, 有望成为建筑中玻璃的替代品. 同时, 学者发现木材的透光率随着厚度的增加而降低, 这主要是因为木材孔道与填充聚合物之间界面不匹配产生的散射[110-111]. 为了解决这个问题, Li等[112]在聚合物填充前对木材孔道进行表面乙酰化处理提高其与PMMA的结合, 从而制备了可达厘米厚的透明木材, 如图7(d)所示. 此外, Xia等[113-114]研究发现借助紫外线或阳光照射刷涂过碱性过氧化氢的木材可以实现快速透明化( ~ 1 h), 并且可以通过特定区域的涂刷实现图案化设计.
不过, 大部分透明木材由于木素大量去除, 使得其力学性能往往较弱. 为此, Li等[115]通过调整漂白方法选择性去除木材中的发色基团, 保留了木素的芳香环结构, 实现了 ~ 80%的木素保留. 在使用聚合物填充木材孔道后, 获得了透光率83%、雾度75%的透明木材, 同时其强度可比拟现有玻璃. 此外, 直接通过致密化处理也可以消除木材孔道中的光反射或散射实现透明, 同时使材料具有优异力学性能. 例如Zhu等[116]通过对去除木素的木材进行高压致密化, 在界面结合良好的情况下得到了透光率90%、雾度80%的柔性薄膜, 如图7(e)所示. 而Li等[117]巧妙利用蒸发时水沿木材孔道中流动产生的毛细力制备了一种自密实的透明木材薄膜, 这种薄膜具有高透光率(80%)和高雾度(70%), 并且由于纤维的高度定向排列, 薄膜还具有优异的拉伸强度(449 MPa)和较高的杨氏模量(51 GPa). 此外, Chen等[118]通过去除木材中木素和半纤维素并氧化处理得到了木材骨架, 接着通过正交叠层致密化得到了透明木基层合板, 在厚度为0.3 mm的情况下具有85%的透光度以及20%的雾度, 并且由于纤维素上羟基被氧化使材料具有一定湿稳定性, 其湿强度可达128 MPa, 如图7(f)所示. 然而目前仅通过孔道的致密化还难以实现较厚透明木材的制备, 仍需要借助聚合物对孔道进行填充, 但聚合物填充后的透明木基材料强度又较差, 关于高强度大尺寸透明木材的研究还较少.
3.3 柔性和高弹木基材料
除了对木材细胞腔进行致密化、填充复合之外, 通过“两步改性”思路对木材的细胞壁微结构进行调控设计, 也可实现木材优异的柔性和弹性. 主要是通过化学处理去除木材细胞壁中的木素和半纤维素, 在软化细胞壁的同时降低了细胞壁的刚度, 进一步通过化学或物理改性改变原有的孔道结构, 引入新的结构特征, 从而实现宏观上特定的力学响应.
如图8(a)所示, Song等[119]通过部分去除木材中的木素, 软化了细胞壁, 然后通过快速干燥使细胞壁发生剧烈收缩, 形成独特的褶皱结构, 赋予了木材优异的柔性, 在经过弯曲、折叠和扭转后形状仍可完全恢复. 此外, 通过孔道软化和一定致密化手段处理后得到的木基材料也具有良好的柔性[83, 120-121].
![]()
为了增大木材的弹性, 近期研究普遍同时对细胞壁及孔道结构进行设计调控. 例如, Chen等[122]将部分脱除木素的木材进行冷冻干燥, 使暴露出的纤维素纤维在蜂窝状孔道中相互连接形成纤维网络, 这种任意排布的纤维网络使弹性木材在被压缩70%时能实现完全回弹, 并且在40%压缩应变下进行了10 000次压缩循环后, 弹性木材的塑性变形可忽略不计, 如图8(b)所示. 类似地, Garemark等[123]通过离子液体部分溶解孔道并在其中再生出纤维素纤维网络, 得到了柔性且具有形状记忆效应的木气凝胶. 此外, Song等[124]通过简单的自上而下的方法完全脱除轻木中的木素和半纤维素, 在冷冻干燥后得到具有层状结构的高弹木气凝胶, 如图8(c)所示. 制备得到的高弹木气凝胶在最高60%压缩应变下可以完全回弹, 并且在40%应变下经过10000次压缩循环后仍然可以承载90%的初始压缩应力. 受上述蜂窝状结构设计及层状弹簧式结构设计的启发, 不少学者通过细胞壁软化、孔道结构调控制备得到了多种可压缩的和高弹性的木气凝胶[125-129], 这种可压缩的木气凝胶经过功能化改性后可以用于应变传感[126]和油水分离[127, 129]等场景. 然而目前木气凝胶在制备过程中对细胞壁本身破坏较大, 导致沿垂直纤维方向压缩时宏观压缩刚度及强度仍然偏低, 仍有进一步的提升空间.
4. 木基材料的功能化应用
前述小节主要综述了木基结构材料宏观力学性能(刚度、强度、柔性和弹性等)的提升, 在此基础上, 通过不同尺度下的改性手段, 综合运用致密化、填充复合等思路, 通过发挥木材天然的定向孔道结构及细胞壁本身的物理性质, 可以实现木基材料宏观上的不同功能化应用, 例如热管理、能源管理、流体输运等. 本小节将从热学、电学和流体输运方面简要综述木基功能材料中微观结构设计带来的宏观功能化应用.
通过自上而下脱除木素的方法可以增强木基材料的绝热性能. 2018年, Li等[130]通过完全去除木素并暴露出大量纤维素纳米纤维制备了纳米木材, 由于产生了大量的纳米孔结构, 实现了优异的隔热性能, 甚至优于目前常用的二氧化硅气凝胶. 同时纤维素纳米纤维之间的氢键结合使其力学性能远高于目前商业化的保温隔热材料, 如图9(a)所示. 为了使绝热性能良好的去木素木材应用于建筑结构领域, He等[82]在完全去除木素基础上通过调控致密化程度获得了具有不同孔隙率的隔热木材, 当强度达到161 MPa的同时, 其横向导热系数仅为0.09 W/(m·K), 相较于天然木材减少了约44%.
![]()
除了表现出隔热特性之外, 完全去除木素的木材呈现纯白色, 可以反射几乎所有可见光, 同时纤维素本身由于分子间拉伸与振动会向外反射红外线. 基于此, Li等[131]通过完全去除木素并完全致密化得到了可实现被动辐射制冷的制冷木材, 这种木基材料在可见光到红外波长范围内的向外辐射量超过对太阳辐射的吸收量, 若用于建筑物表面，辐射制冷效果高达10度左右, 有望实现木结构建筑中高效、环保、低成本的热管理(图9(b)). 此外, Xu等[132]通过向木材孔道中填充相变材料(聚乙二醇)从而能在环境温度变化情况下实现室内温度的稳定.
在木基材料防火方面, Gan等[85]利用完全致密化延缓了燃烧的发生, 在此基础上他们通过在致密化木材表面覆盖氮化硼纳米片涂层, 将材料的燃点进一步提升了41 °C, 而阻燃时间更是延长了两倍[133], 如图9(c)所示. 此外, 也有学者通过在脱除木素的木材细胞腔中填充黏土进行复合, 提升了木基材料的防火能力[134].
在电子器件应用领域往往需要材料具有高导热系数, 作为天然碳基生物质材料的木材可以通过高温碳化显著提升导热性, 同时也可以通过与金属等其他材料复合从而实现木基材料的高导热性[135-136]. 同时, 碳化后木材中定向的分子链排布也有利于电子的输运, 因此碳化木往往具有高导电性, 可用于制作电极和电容器等多种能源管理器件[137-139].
此外, 通过对孔道结构进行表面改性或填充复合可以实现木基材料电学性能的调控[140-147]. 例如Chen等[140]通过在柔性木材细胞壁上涂覆碳纳米管和Ru纳米颗粒, 同时实现了电极中离子、电子和气体的非竞争输运, 如图10(a)所示. Tran等[144]则是在脱除木素木材的孔道中填充导电聚合物(PEDOT: PSS)实现了高导电率(69 S/m), 如图10(b)所示, 并进一步设计了一种木基电化学晶体管, 可以在不同电压下实现对电流的调控. 而与电子导电不同的是, Li等[145]通过木素去除、致密化处理及氧化改性提升了木材纤维的表面电荷密度, 进而利用木材中定向排列的纤维间纳米通道实现了木基材料中的高离子导电率(2 mS/cm), 可用于构建可折叠的晶体管器件.
![]()
前述小节中通过结构设计得到的柔性薄膜或者高弹木材由于可产生较大的变形及电学响应因而可用于柔性传感等应用[116, 126, 148-150]. 例如Zhu等[116]将含有PEO/LiClO4电解质的石墨薄片转移到去木素木材薄膜基底上, 得到了柔性的晶体管器件. Chen等[126]利用碳化木海绵不同压缩比下电导率的变化设计了应变传感器, 实现了人体运动的持续监测, 如图10(c)所示. Sun等[148]通过真菌的生物降解作用破坏了木材的孔道结构, 从而赋予了木材高的弹性变形, 得到的木材骨架在45 kPa压力下可以输出0.87 V电压, 其压电响应比天然木材提高了55倍(图10(d)).
木材的天然定向结构不仅可以用于电子、离子的输运, 也可以用于流体的输运, 这方面的研究主要用于水蒸发、水处理、微流控装置和离子传导等场景[83, 95, 145, 151-158]. 例如Liu等[155]使用氧化石墨烯覆盖天然木材表面制备了一种双层太阳能蒸发器, 在12 kW/m2光照下蒸发率可达14.02 kg/(m2·h), 如图10(e)所示. Chen等[158]通过醚化反应及致密化作用, 调节了木基材料的表面电位, 得到了湿强度可达98 MPa的阳离子导通薄膜, 如图10(f)所示, 这种木基薄膜在10−3 mol/L KCl溶液中的阳离子电导率比天然木材高出25倍.
5. 展望
通过自上而下的方法对木材的多尺度结构进行设计调控, 实现木基材料不同的宏观性能(例如力学、光学、电学和热学性能等)是开发新型高性能木基材料的关键. 本文从微观力学机制及微结构设计角度切入, 综述了“两步改性”策略对木材多层级微观结构的调控手段及所得到的具有特定力学性能和功能的木基材料. 然而如何充分发挥木材中纤维素的本征性质及木材多尺度微观结构的特性, 设计开发出更高性能的绿色可持续木基材料, 还需要从以下方面进一步的深入研究.
(1)虽有不少研究从微观、介观和宏观尺度分别对木材结构−性能关系进行了深入研究, 但是木材拥有跨尺度的多层级结构, 且实验中的“两步改性”策略会同时改变木材中的多个尺度下的结构, 导致仅通过实验难以得出微观结构改变对宏观性能的影响机制, 因此亟需建立木基结构材料中跨尺度的结构−性能关系. 一方面通过跨尺度理论可以深入揭示木材多层级下微观结构改变对宏观性能的影响机制, 另一方面通过理论指导可以进一步优化现有木基材料的微观结构调控策略, 并有望实现多尺度协同设计.
(2)本文中综述的大量研究证明木材优异的天然序构能够实现多种结构或功能化应用, 然而现有木基材料功能往往较为单一, 且大量研究仍然以实验探索为主, 例如透明木材往往强度不够, 大大限制了其在建筑领域的应用前景. 因此在材料结构设计方面, 应该充分结合多尺度模型与理论, 从力学角度深入了解结构与性能之间的作用关系, 实现木基材料结构功能一体化调控设计.
(3)在木基材料微观结构的调控设计中, 除了化学处理外, 微观尺度下力的作用对结构的影响不容小觑, 例如木材孔道中水蒸发产生的毛细力会引发孔道的自致密化. 不过现有研究多注重木基材料结构−性能间关系, 如何通过力来调控木材中微观结构从而实现宏观性能提升的相关研究还较少. 木材具有特殊的多层级结构, 巧妙使用例如毛细力、剪切力和溶胀力等对木材不同尺度微观结构进行调控设计, 有望实现宏观性能的提升.
(4)在木基材料制备方面, 目前为了实现材料微观结构的改性通常使用了大量的化学试剂, 对环境仍有一定的影响. 因此在实现木材多层级结构设计调控的同时, 要进一步考虑尝试更加绿色、低成本的实验手段和方法.
(5)前述高性能木基功能材料多停留在实验室规模, 还尚未走向大规模生产应用, 同时当木基材料尺寸增大时, 保持相同的结构调控手段往往效果欠佳. 因此在现有实验手段的基础上, 开发针对大规模生产的结构调控方法, 保持大规模与大尺寸生产条件下木基材料稳定的力学性能以及功能性, 是实现绿色可持续木基材料应用的关键.
-
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
-
[1] U.S. Global Change Research Program. Climate Science Special Report: Fourth National Climate Assessment, Volume I. Washington DC, USA, 2017
[2] Harris NL, Gibbs DA, Baccini A, et al. Global maps of twenty-first century forest carbon fluxes. Nature Climate Change, 2021, 11(3): 234-240 doi: 10.1038/s41558-020-00976-6
[3] Claisse PA. Civil Engineering Materials. Butterworth-Heinemann, 2015
[4] 新华社. 中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见. https://www.gov.cn/zhengce/2021-10/24/content_5644613.htm.2021-10-24 Xinhua News Agency. Opinions of CCCP and state council on the complete and accurate implementation of the new development philosiphy to achieve carbon peaking and carbon neutrality. https://www.gov.cn/zhengce/2021-10/24/content_5644613.htm.2021-10-24 (in Chinese)
[5] Wimmers GW. A construction material for tall buildings. Nature Reviews Materials, 2017, 2(12): 17051 doi: 10.1038/natrevmats.2017.51
[6] Chen C, Kuang Y, Zhu S, et al. Structure–property–function relationships of natural and engineered wood. Nature Reviews Materials, 2020, 5(9): 642-666 doi: 10.1038/s41578-020-0195-z
[7] Crowther TW, Glick HB, Covey KR, et al. Mapping tree density at aglobal scale. Nature, 2015, 525(7568): 201-205 doi: 10.1038/nature14967
[8] 人民日报. 《2021中国林草资源及生态状况》公布. http://www.forestry.gov.cn/main/586/20221129/084459358299794.html.2022-11-29 People’s Daily. “Forest and grassland resources and ecology situation of China in 2021” was published. http://www.forestry.gov.cn/main/586/20221129/084459358299794.html.2022-11-29 (in Chinese)
[9] FAO. Global production and trade in forest products in 2020. https://www.fao.org/forestry/statistics/80938/en/. 2021-12-24
[10] 劳万里, 段新芳, 吕斌等. 碳达峰碳中和目标下木材工业的发展路径分析. 木材科学与技术, 2022, 36(1): 87-91 (Lao Wangli, Duan Xinfang, Lv Bin, et al. Development path of China wood industry under the targets of carbon dioxide emission peaking and carbon neutrality. Chinese Journal of Wood Science and Technology, 2022, 36(1): 87-91 (in Chinese) Lao Wangli, Duan Xinfang, Lv Bin, et al. Development path of China wood industry under the targets of carbon dioxide emission peaking and carbon neutrality. Chinese Journal of Wood Science and Technology, 2022, 36(01): 87-91 (in Chinese)
[11] Nordby AS, Shea AD. Building materials in the operational phase. Journal of Industrial Ecology, 2013, 17(5): 763-776 doi: 10.1111/jiec.12046
[12] Churkina G, Organschi A, Reyer CPO, et al. Buildings as a global carbon sink. Nature Sustainability, 2020, 3(4): 269-276 doi: 10.1038/s41893-019-0462-4
[13] Moon RJ, Martini A, Nairn J, et al. Cellulose nanomaterials review: Structure, properties and nanocomposites. Chemical Society Reviews, 2011, 40(7): 3941-3994 doi: 10.1039/c0cs00108b
[14] 段博, 张俐娜. 可持续高分子−纤维素新材料研究进展. 高分子学报, 2020, 51(1): 66-86 (Duan Bo, Zhang Lina. Research progress of sustainable polymer – cellulose-based novel material. Acta Polymerica Sinica, 2020, 51(1): 66-86 (in Chinese) Duan Bo, Zhang Lina. Research progress of sustainable polymer – cellulose-based novel material. Acta Polymerica Sinica, 2020, 51(1): 66-86 (in Chinese)
[15] Chen Y, Fu J, Dang B, et al. Artificial wooden nacre: A high specific strength engineering material. ACS Nano, 2020, 14(2): 2036-2043 doi: 10.1021/acsnano.9b08647
[16] Guan QF, Yang HB, Han ZM, et al. Lightweight, tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materials with low thermal expansion coefficient. Science Advances, 2020, 6(18): eaaz1114 doi: 10.1126/sciadv.aaz1114
[17] Mittal N, Ansari F, Gowda V K, et al. Multiscale control of nanocellulose assembly: Transferring remarkable nanoscale fibril mechanics to macroscale fibers. ACS Nano, 2018, 12(7): 6378-6388
[18] Sun WB, Han ZM, Yue X, et al. Nacre-inspired bacterial cellulose/mica nanopaper with excellent mechanical and electrical insulating properties by biosynthesis. Advanced Materials, 2023, 35(24): e2300241 doi: 10.1002/adma.202300241
[19] Zhu JY, Agarwal UP, Ciesielski PN, et al. Towards sustainable production and utilization of plant-biomass-based nanomaterials: A review and analysis of recent developments. Biotechnology for Biofuels, 2021, 14(1): 114 doi: 10.1186/s13068-021-01963-5
[20] Iglesias MC, Gomez-Maldonado D, Via BK, et al. Pulping processes and their effects on cellulose fibers and nanofibrillated cellulose properties: A review. Forest Products Journal, 2020, 70(1): 10-21 doi: 10.13073/FPJ-D-19-00038
[21] Li J, Chen C, Zhu JY, et al. In situ wood delignification toward sustainable applications. Accounts of Materials Research, 2021, 2(8): 606-620 doi: 10.1021/accountsmr.1c00075
[22] Keplinger T, Wittel FK, Rüggeberg M, et al. Wood derived cellulose scaffolds - processing and mechanics. Advanced Materials, 2021, 33(28): 2001375 doi: 10.1002/adma.202001375
[23] Ding Y, Pang Z, Lan K, et al. Emerging engineered wood for building applications. Chemical Reviews, 2023, 123(5): 1843-1888 doi: 10.1021/acs.chemrev.2c00450
[24] Mao Y, Hu L, Ren ZJ. Engineered wood for asustainable future. Matter, 2022, 5(5): 1326-1329 doi: 10.1016/j.matt.2022.04.013
[25] Chen C, Berglund L, Burgert I, et al. Wood nanomaterials and nanotechnologies. Advanced Materials, 2021, 33(28): 2006207 doi: 10.1002/adma.202006207
[26] Jiang F, Li T, Li Y, et al. Wood‐based nanotechnologies toward sustainability. Advanced Materials, 2017, 30(1): 1703453
[27] Farid T, Rafiq MI, Ali A, et al. Transforming wood as next-generation structural and functional materials for a sustainable future. EcoMat, 2022, 4(1): e12154 doi: 10.1002/eom2.12154
[28] Sjostrom E. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. Elsevier Science, 2013
[29] Ling S, Kaplan DL, Buehler MJ. Nanofibrils in nature and materials engineering. Nature Reviews Materials, 2018, 3(4): 18016 doi: 10.1038/natrevmats.2018.16
[30] Zhu H, Luo W, Ciesielski PN, et al. Wood-derived materials for green electronics, biological devices, and energy applications. Chemical Reviews, 2016, 116(16): 9305-9374 doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00225
[31] Gibson LJ, Ashby MF, Harley BA. Cellular Materials in Nature and Medicine. Cambridge: Cambridge University Press, 2010
[32] Meyers MA, Chen PY, Lin AY-M, et al. Biological materials: Structure and mechanical properties. Progress in Materials Science, 2008, 53(1): 1-206 doi: 10.1016/j.pmatsci.2007.05.002
[33] Fratzl P, Weinkamer R. Nature’s hierarchical materials. Progress in Materials Science, 2007, 52(8): 1263-1334 doi: 10.1016/j.pmatsci.2007.06.001
[34] Qing H, Jr Mishnaevsky L. 3D multiscale micromechanical model of wood: From annual rings to microfibrils. International Journal of Solids and Structures, 2010, 47(9): 1253-1267 doi: 10.1016/j.ijsolstr.2010.01.014
[35] Berglund LA, Burgert I. Bioinspired wood nanotechnology for functional materials. Advanced Materials, 2018, 30(19): 1704285 doi: 10.1002/adma.201704285
[36] Gibson LJ. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. Journal of the Royal Society Interface, 2012, 9(76): 2749-2766 doi: 10.1098/rsif.2012.0341
[37] Page DH. A method for determining the fibrillar angle in wood tracheids. Journal of Microscopy, 1969, 90(2): 137-143 doi: 10.1111/j.1365-2818.1969.tb00701.x
[38] Barnett JR, Bonham VA. Cellulose microfibril angle in the cell wall of wood fibres. Biological Reviews, 2004, 79(2): 461-472 doi: 10.1017/S1464793103006377
[39] Lichtenegger H, Muller M, Paris O, et al. Imaging of the helical arrangement of cellulose fibrils in wood by synchrotron X-ray microdiffraction. Journal of Applied Crystallography, 1999, 32(6): 1127-1133 doi: 10.1107/S0021889899010961
[40] Dufresne A. Nanocellulose: From Nature to High Performance Tailored Materials. Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2017
[41] Habibi Y, Lucia LA, Rojas OJ. Cellulose nanocrystals: Chemistry, self-assembly, and applications. Chemical Reviews, 2010, 110(6): 3479-3500 doi: 10.1021/cr900339w
[42] Lu F. Lignin. Nova Science Publishers, Incorporated, 2019
[43] Lu F, Ralph J. Lignin//Cereal Straw as a Resource for Sustainable Biomaterials and Biofuels. Sun RC ed. Amsterdam: Elsevier, 2010: 169-207
[44] Rao J, Lyu Z, Chen G, et al. Hemicellulose: Structure, chemical modification, and application. Progress in Polymer Science, 2023, 140: 101675 doi: 10.1016/j.progpolymsci.2023.101675
[45] Fratzl P. Cellulose and collagen: from fibres to tissues. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2003, 8(1): 32-39
[46] Yano H, Hirose A, Inaba S. High-strength wood-based materials. Journal of Materials Science Letters, 1997, 16(23): 1906-1909 doi: 10.1023/A:1018578431873
[47] Mark RE. Cell Wall Mechanics of Tracheids. New Haven, CT: Yale University Press, 1967
[48] Rowell RM. Handbook of Wood Chemistry and Wood Composites. CRC Press, 2005
[49] Reiterer A, Lichtenegger H, Tschegg S, et al. Experimental evidence for a mechanical function of the cellulose microfibril angle in wood cell walls. Philosophical Magazine A, 1999, 79(9): 2173-2184 doi: 10.1080/01418619908210415
[50] Cai P, Wang C, Gao H, et al. Mechanomaterials: A rational deployment of forces and geometries in programming functional materials. Advanced Materials, 2021, 33(46): 2007977
[51] Hill CAS. Wood Modification: Chemical, Thermal and Other Processes. Wiley, 2007
[52] Homan WJ, Jorissen AJ M. Wood modification developments. Heron, 2004, 49(4): 361-385
[53] Hou Y, Xia J, He Z, et al. Molecular levers enable anomalously enhanced strength and toughness of cellulose nanocrystal at cryogenic temperature. Nano Research, 2023, 16: 8036-8041
[54] Hou Y, He Z, Zhu Y, et al. Intrinsic kink deformation in nanocellulose. Carbohydrate Polymers, 2021, 273: 118578 doi: 10.1016/j.carbpol.2021.118578
[55] 何泽洲. 非共价界面层状纳米复合材料的多尺度力学与设计. [博士论文]. 合肥: 中国科学技术大学, 2021 He Zezhou. Multiscale mechanics and design of noncovalent interface layered nanocomposite. [PhD Thesis]. Hefei: University of Science and Technolygy of China, 2021 (in Chinese)
[56] Li T. EML webinar overview: Advanced materials toward a sustainable future—mechanics design. Extreme Mechanics Letters, 2021, 42: 101107 doi: 10.1016/j.eml.2020.101107
[57] Zhu H, Zhu S, Jia Z, et al. Anomalous scaling law of strength and toughness of cellulose nanopaper. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015, 112(29): 8971-8976 doi: 10.1073/pnas.1502870112
[58] Sinko R, Keten S. Traction–separation laws and stick–slip shear phenomenon of interfaces between cellulose nanocrystals. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2015, 78: 526-539 doi: 10.1016/j.jmps.2015.02.012
[59] Meng Q, Shi X. A microstructure-based constitutive model of anisotropic cellulose nanopaper with aligned nanofibers. Extreme Mechanics Letters, 2021, 43: 101158 doi: 10.1016/j.eml.2020.101158
[60] Meng Q, Li B, Li T, et al. Effects of nanofiber orientations on the fracture toughness of cellulose nanopaper. Engineering Fracture Mechanics, 2018, 194: 350-361 doi: 10.1016/j.engfracmech.2018.03.034
[61] Meng Q, Li B, Li T, et al. A multiscale crack-bridging model of cellulose nanopaper. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2017, 103: 22-39
[62] Chen Q, Chen B, Jing S, et al. Flaw sensitivity of cellulose paper. Extreme Mechanics Letters, 2022, 56: 101865 doi: 10.1016/j.eml.2022.101865
[63] He Z, Zhu Y, Wu H. A universal mechanical framework for noncovalent interface in laminated nanocomposites. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2022, 158: 104560 doi: 10.1016/j.jmps.2021.104560
[64] Solhi L, Guccini V, Heise K, et al. Understanding nanocellulose-water interactions: Turning a detriment into an asset. Chemical Reviews, 2023, 123(5): 1925-2015 doi: 10.1021/acs.chemrev.2c00611
[65] Zhang C, Chen M, Keten S, et al. Hygromechanical mechanisms of wood cell wall revealed by molecular modeling and mixture rule analysis. Science Advances, 2021, 7(37): eabi8919 doi: 10.1126/sciadv.abi8919
[66] Jin K, Qin Z, Buehler MJ. Molecular deformation mechanisms of the wood cell wall material. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2015, 42: 198-206 doi: 10.1016/j.jmbbm.2014.11.010
[67] Kulasinski K, Derome D, Carmeliet J. Impact of hydration on the micromechanical properties of the polymer composite structure of wood investigated with atomistic simulations. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2017, 103: 221-235 doi: 10.1016/j.jmps.2017.03.016
[68] Hou Y, Guan QF, Xia J, et al. Strengthening and toughening hierarchical nanocellulose via humidity-mediated interface. ACS Nano, 2021, 15(1): 1310-1320 doi: 10.1021/acsnano.0c08574
[69] Zhang Y, Yu J, Wang X, et al. Molecular insights into the complex mechanics of plant epidermal cell walls. Science, 2021, 372(6543): 706-711 doi: 10.1126/science.abf2824
[70] Qin X, Feng S, Meng Z, et al. Optimizing the mechanical properties of cellulose nanopaper through surface energy and critical length scale considerations. Cellulose, 2017, 24(8): 3289-3299 doi: 10.1007/s10570-017-1367-x
[71] Ray U, Pang Z, Li T. Mechanics of cellulose nanopaper using a scalable coarse-grained modeling scheme. Cellulose, 2021, 28(6): 3359-3372 doi: 10.1007/s10570-021-03740-x
[72] Shishehbor M, Zavattieri PD. Effects of interface properties on the mechanical properties of bio-inspired cellulose nanocrystal (CNC)-based materials. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2019, 124: 871-896 doi: 10.1016/j.jmps.2018.12.002
[73] Wang X, Pang Z, Chen C, et al. All-natural, degradable, rolled-up straws based on cellulose micro- and nano-hybrid fibers. Advanced Functional Materials, 2020, 30(22): 1910417 doi: 10.1002/adfm.201910417
[74] Pařil P, Brabec M, Maňák O, et al. Comparison of selected physical and mechanical properties of densified beech wood plasticized by ammonia and saturated steam. European Journal of Wood and Wood Products, 2014, 72(5): 583-591 doi: 10.1007/s00107-014-0814-8
[75] Fang CH, Mariotti N, Cloutier A, et al. Densification of wood veneers by compression combined with heat and steam. European Journal of Wood and Wood Products, 2012, 70(1): 155-163
[76] Bekhta P, Hiziroglu S, Shepelyuk O. Properties of plywood manufactured from compressed veneer as building material. Materials & Design, 2009, 30(4): 947-953
[77] Stamm AJ, Seborg RM. Resin-treated, laminated, compressed wood. 1941
[78] Sotayo A, Bradley D, Bather M, et al. Review of state of the art of dowel laminated timber members and densified wood materials as sustainable engineered wood products for construction and building applications. Developments in the Built Environment, 2020, 1: 100004 doi: 10.1016/j.dibe.2019.100004
[79] Song J, Chen C, Zhu S, et al. Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature, 2018, 554(7691): 224-228 doi: 10.1038/nature25476
[80] Han X, Ye Y, Lam F, et al. Hydrogen-bonding-induced assembly of aligned cellulose nanofibers into ultrastrong and tough bulk materials. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7(47): 27023-27031 doi: 10.1039/C9TA11118B
[81] Frey M, Widner D, Segmehl JS, et al. Delignified and densified cellulose bulk materials with excellent tensile properties for sustainable engineering. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(5): 5030-5037
[82] He S, Chen C, Li T, et al. An energy-efficient, wood-derived structural material enabled by pore structure engineering towards building efficiency. Small Methods, 2020, 4(1): 1900747 doi: 10.1002/smtd.201900747
[83] Zhu M, Wang Y, Zhu S, et al. Anisotropic, transparent films with aligned cellulose nanofibers. Advanced Materials, 2017, 29(21): 1606284 doi: 10.1002/adma.201606284
[84] Gan W, Chen C, Kim HT, et al. Single-digit-micrometer thickness wood speaker. Nature Communications, 2019, 10(1): 5084 doi: 10.1038/s41467-019-13053-0
[85] Gan W, Chen C, Wang Z, et al. Dense, self-formed char layer enables a fire-retardant wood structural material. Advanced Functional Materials, 2019, 29(14): 1807444 doi: 10.1002/adfm.201807444
[86] Chen B, Leiste UH, Fourney WL, et al. Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic. Matter, 2021, 4(12): 3941-3952 doi: 10.1016/j.matt.2021.09.020
[87] Fang Z, Li B, Liu Y, et al. Critical role of degree of polymerization of cellulose in super-strong nanocellulose films. Matter, 2020, 2(4): 1000-1014 doi: 10.1016/j.matt.2020.01.016
[88] Li Z, Chen C, Mi R, et al. A strong, tough, and scalable structural material from fast-growing bamboo. Advanced Materials, 2020, 32(10): 1906308 doi: 10.1002/adma.201906308
[89] Xiao S, Chen C, Xia Q, et al. Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material. Science, 2021, 374(6566): 465-471 doi: 10.1126/science.abg9556
[90] Luo D, Maheshwari A, Danielescu A, et al. Autonomous self-burying seed carriers for aerial seeding. Nature, 2023, 614(7948): 463-470 doi: 10.1038/s41586-022-05656-3
[91] Khakalo A, Tanaka A, Korpela A, et al. All-wood composite material by partial fiber surface dissolution with an ionic liquid. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019, 7(3): 3195-3202
[92] Khakalo A, Tanaka A, Korpela A, et al. Delignification and ionic liquid treatment of wood toward multifunctional high-performance structural materials. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(20): 23532-23542
[93] Li Y, Vasileva E, Sychugov I, et al. Optically transparent wood: Recent progress, opportunities, and challenges. Advanced Optical Materials, 2018, 6(14): 1800059 doi: 10.1002/adom.201800059
[94] Wang K, Dong Y, Ling Z, et al. Transparent wood developed by introducing epoxy vitrimers into a delignified wood template. Composites Science and Technology, 2021, 207: 108690 doi: 10.1016/j.compscitech.2021.108690
[95] Kong W, Wang C, Jia C, et al. Muscle-inspired highly anisotropic, strong, ion-conductive hydrogels. Advanced Materials, 2018, 30(39): 1801934 doi: 10.1002/adma.201801934
[96] Chen C, Wang Y, Wu Q, et al. Highly strong and flexible composite hydrogel reinforced by aligned wood cellulose skeleton via alkali treatment for muscle-like sensors. Chemical Engineering Journal, 2020, 400: 125876 doi: 10.1016/j.cej.2020.125876
[97] Shams MI, Yano H, Endou K. Compressive deformation of wood impregnated with low molecular weight phenol formaldehyde (PF) resin III: Effects of sodium chlorite treatment. Journal of Wood Science, 2005, 51(3): 234-238 doi: 10.1007/s10086-004-0638-y
[98] Shams MI, Yano H, Endou K. Compressive deformation of wood impregnated with low molecular weight phenol formaldehyde (PF) resin I: Effects of pressing pressure and pressure holding. Journal of Wood Science, 2004, 50(4): 337-342 doi: 10.1007/s10086-003-0570-6
[99] Shams MI, Yano H. A new method for obtaining high strength phenol formaldehyde resin-impregnated wood composites at low pressing pressure. Journal of Tropical Forest Science, 2009, 21: 175-180
[100] Yano H. Potential strength for resin-impregnated compressed wood. Journal of Materials Science Letters, 2001, 20(12): 1127-1129 doi: 10.1023/A:1010996424453
[101] Frey M, Schneider L, Masania K, et al. Delignified wood–polymer interpenetrating composites exceeding the rule of mixtures. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(38): 35305-35311
[102] Li T, Zhu M, Yang Z, et al. Wood composite as an energy efficient building material: Guided sunlight transmittance and effective thermal insulation. Advanced Energy Materials, 2016, 6(22): 1601122
[103] Fink S. Transparent wood – a new approach in the functional study of wood structure. 1992, 46(5): 403-408
[104] Mi R, Chen C, Keplinger T, et al. Scalable aesthetic transparent wood for energy efficient buildings. Nature Communications, 2020, 11(1): 3836 doi: 10.1038/s41467-020-17513-w
[105] Mi R, Li T, Dalgo D, et al. A clear, strong, and thermally insulated transparent wood for energy efficient windows. Advanced Functional Materials, 2020, 30(1): 1907511 doi: 10.1002/adfm.201907511
[106] Zhu M, Song J, Li T, et al. Highly anisotropic, highly transparent wood composites. Advanced Materials, 2016, 28(26): 5181-5187 doi: 10.1002/adma.201600427
[107] Yu Z, Yao Y, Yao J, et al. Transparent wood containing Cs xWO3 nanoparticles for heat-shielding window applications. Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5(13): 6019-6024 doi: 10.1039/C7TA00261K
[108] Zhu M, Li T, Davis CS, et al. Transparent and haze wood composites for highly efficient broadband light management in solar cells. Nano Energy, 2016, 26: 332-339 doi: 10.1016/j.nanoen.2016.05.020
[109] Jia C, Chen C, Mi R, et al. Clear wood toward high-performance building materials. ACS Nano, 2019, 13(9): 9993-10001 doi: 10.1021/acsnano.9b00089
[110] Li Y, Fu Q, Yu S, et al. Optically transparent wood from a nanoporous cellulosic template: Combining functional and structural performance. Biomacromolecules, 2016, 17(4): 1358-1364 doi: 10.1021/acs.biomac.6b00145
[111] Li Y, Yu S, Veinot JG C, et al. Luminescent transparent wood. Advanced Optical Materials, 2017, 5(1): 1600834 doi: 10.1002/adom.201600834
[112] Li Y, Yang X, Fu Q, et al. Towards centimeter thick transparent wood through interface manipulation. Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6(3): 1094-1101 doi: 10.1039/C7TA09973H
[113] Xia Q, Chen C, Li T, et al. Solar-assisted fabrication of large-scale, patternable transparent wood. Science Advances, 2021, 7(5): eabd7342 doi: 10.1126/sciadv.abd7342
[114] Xia Q, Chen C, Yao Y, et al. In situ lignin modification toward photonic wood. Advanced Materials, 2021, 33(8): 2001588 doi: 10.1002/adma.202001588
[115] Li Y, Fu Q, Rojas R, et al. Lignin-retaining transparent wood. Chem Sus Chem, 2017, 10(17): 3445-3451 doi: 10.1002/cssc.201701089
[116] Zhu M, Jia C, Wang Y, et al. Isotropic paper directly from anisotropic wood: Top-down green transparent substrate toward biodegradable electronics. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(34): 28566-28571
[117] Li K, Wang S, Chen H, et al. Self-densification of highly mesoporous wood structure into a strong and transparent film. Advanced Materials, 2020, 32(42): 2003653 doi: 10.1002/adma.202003653
[118] Chen C, Zhou T, Wan Z, et al. Insulative biobased glaze from wood laminates obtained by self-adhesion. Small, 2023, 19(38): 2301472
[119] Song J, Chen C, Wang C, et al. Superflexible wood. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9(28): 23520-23527
[120] Jia C, Li T, Chen C, et al. Scalable, anisotropic transparent paper directly from wood for light management in solar cells. Nano Energy, 2017, 36: 366-373 doi: 10.1016/j.nanoen.2017.04.059
[121] Fu Q, Chen Y, Sorieul M. Wood-based flexible electronics. ACS Nano, 2020, 14(3): 3528-3538 doi: 10.1021/acsnano.9b09817
[122] Chen C, Song J, Cheng J, et al. Highly elastic hydrated cellulosic materials with durable compressibility and tunable conductivity. ACS Nano, 2020, 14(12): 16723-16734 doi: 10.1021/acsnano.0c04298
[123] Garemark J, Perea-Buceta JE, Felhofer M, et al. Strong, shape-memory lignocellulosic aerogel via wood cell wall nanoscale reassembly. ACS Nano, 2023, 17(5): 4775-4789 doi: 10.1021/acsnano.2c11220
[124] Song J, Chen C, Yang Z, et al. Highly compressible, anisotropic aerogel with aligned cellulose nanofibers. ACS Nano, 2018, 12(1): 140-147 doi: 10.1021/acsnano.7b04246
[125] Wang K, Liu X, Tan Y, et al. Two-dimensional membrane and three-dimensional bulk aerogel materials via top-down wood nanotechnology for multibehavioral and reusable oil/water separation. Chemical Engineering Journal, 2019, 371: 769-780 doi: 10.1016/j.cej.2019.04.108
[126] Chen C, Song J, Zhu S, et al. Scalable and sustainable approach toward highly compressible, anisotropic, lamellar carbon sponge. Chem, 2018, 4(3): 544-554 doi: 10.1016/j.chempr.2017.12.028
[127] Guan H, Cheng Z, Wang X. Highly compressible wood sponges with a spring-like lamellar structure as effective and reusable oil absorbents. ACS Nano, 2018, 12(10): 10365-10373 doi: 10.1021/acsnano.8b05763
[128] Han ZM, Sun WB, Yang KP, et al. An all-natural wood-inspired aerogel. Angewandte Chemie International Edition, 2023, 62(6): e202211099 doi: 10.1002/anie.202211099
[129] Li X, Jin X, Wu Y, et al. A comprehensive review of lignocellulosic biomass derived materials for water/oil separation. Science of the Total Environment, 2023, 876: 162549 doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.162549
[130] Li T, Song J, Zhao X, et al. Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose. Science Advances, 2018, 4(3): eaar3724 doi: 10.1126/sciadv.aar3724
[131] Li T, Zhai Y, He S, et al. A radiative cooling structural material. Science, 2019, 364(6442): 760-763 doi: 10.1126/science.aau9101
[132] Xu J, Yang T, Xu X, et al. Processing solid wood into a composite phase change material for thermal energy storage by introducing silica-stabilized polyethylene glycol. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2020, 139: 106098 doi: 10.1016/j.compositesa.2020.106098
[133] Gan W, Chen C, Wang Z, et al. Fire-resistant structural material enabled by an anisotropic thermally conductive hexagonal boron nitride coating. Advanced Functional Materials, 2020, 30(10): 1909196 doi: 10.1002/adfm.201909196
[134] Fu Q, Medina L, Li Y, et al. Nanostructured wood hybrids for fire-retardancy prepared by clay impregnation into the cell wall. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9(41): 36154-36163
[135] Chen L, Song N, Shi L, et al. Anisotropic thermally conductive composite with wood-derived carbon scaffolds. Composites Part A:Applied Science and Manufacturing, 2018, 112: 18-24 doi: 10.1016/j.compositesa.2018.05.023
[136] Wan J, Song J, Yang Z, et al. Highly anisotropic conductors. Advanced Materials, 2017, 29(41): 1703331 doi: 10.1002/adma.201703331
[137] Chen C, Hu L. Nanocellulose toward advanced energy storage devices: Structure and electrochemistry. Accounts of Chemical Research, 2018, 51(12): 3154-3165 doi: 10.1021/acs.accounts.8b00391
[138] Shen F, Luo W, Dai J, et al. Ultra-thick, low-tortuosity, and mesoporous wood carbon anode for high-performance sodium-ion batteries. Advanced Energy Materials, 2016, 6(14): 1600377 doi: 10.1002/aenm.201600377
[139] Peng X, Zhang L, Chen Z, et al. Hierarchically porous carbon plates derived from wood as bifunctional ORR/OER electrodes. Advanced Materials, 2019, 31(16): 1900341 doi: 10.1002/adma.201900341
[140] Chen C, Xu S, Kuang Y, et al. Nature-inspired tri-pathway design enabling high-performance flexible Li–O2 batteries. Advanced Energy Materials, 2019, 9(9): 1802964 doi: 10.1002/aenm.201802964
[141] Song H, Xu S, Li Y, et al. Hierarchically porous, ultrathick, “breathable” wood-derived cathode for lithium-oxygen batteries. Advanced Energy Materials, 2018, 8(4): 1701203 doi: 10.1002/aenm.201701203
[142] Zhang Y, Luo W, Wang C, et al. High-capacity, low-tortuosity, and channel-guided lithium metal anode. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017, 114(14): 3584-3589 doi: 10.1073/pnas.1618871114
[143] Chen C, Zhang Y, Li Y, et al. Highly conductive, lightweight, low-tortuosity carbon frameworks as ultrathick 3 D current collectors. Advanced Energy Materials, 2017, 7(17): 1700595 doi: 10.1002/aenm.201700595
[144] Tran VC, Mastantuoni GG, Zabihipour M, et al. Electrical current modulation in wood electrochemical transistor. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023, 120(18): e2218380120
[145] Li T, Li SX, Kong W, et al. A nanofluidic ion regulation membrane with aligned cellulose nanofibers. Science Advances, 2019, 5(2): eaau4238 doi: 10.1126/sciadv.aau4238
[146] Zhao J, Zhang W, Liu T, et al. Hierarchical porous cellulosic triboelectric materials for extreme environmental conditions. Small Methods, 2022, 6(9): 2200664 doi: 10.1002/smtd.202200664
[147] Wu QY, Wang C, Wang R, et al. Salinity-gradient power generation with ionized wood membranes. Advanced Energy Materials, 2019, 10(1): 1902590
[148] Sun J, Guo H, Schädli GN, et al. Enhanced mechanical energy conversion with selectively decayed wood. Science Advances, 2021, 7(11): eabd9138 doi: 10.1126/sciadv.abd9138
[149] Sun J, Guo H, Ribera J, et al. Sustainable and biodegradable wood sponge piezoelectric nanogenerator for sensing and energy harvesting applications. ACS Nano, 2020, 14(11): 14665-14674 doi: 10.1021/acsnano.0c05493
[150] Cai C, Mo J, Lu Y, et al. Integration of a porous wood-based triboelectric nanogenerator and gas sensor for real-time wireless food-quality assessment. Nano Energy, 2021, 83: 105833 doi: 10.1016/j.nanoen.2021.105833
[151] Chen C, Li Y, Song J, et al. Highly flexible and efficient solar steam generation device. Advanced Materials, 2017, 29(30): 1701756 doi: 10.1002/adma.201701756
[152] Zhu M, Li Y, Chen F, et al. Plasmonic wood for high-efficiency solar steam generation. Advanced Energy Materials, 2018, 8(4): 1701028 doi: 10.1002/aenm.201701028
[153] Chen X, He S, Falinski MM, et al. Sustainable off-grid desalination of hypersaline waters using janus wood evaporators. Energy & Environmental Science, 2021, 14(10): 5347-5357
[154] He S, Chen C, Chen G, et al. High-performance, scalable wood-based filtration device with a reversed-tree design. Chemistry of Materials, 2020, 32(5): 1887-1895 doi: 10.1021/acs.chemmater.9b04516
[155] Liu KK, Jiang Q, Tadepalli S, et al. Wood–graphene oxide composite for highly efficient solar steam generation and desalination. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9(8): 7675-7681
[156] Chen F, Gong AS, Zhu M, et al. Mesoporous, three-dimensional wood membrane decorated with nanoparticles for highly efficient water treatment. ACS Nano, 2017, 11(4): 4275-4282 doi: 10.1021/acsnano.7b01350
[157] Zhang W, Xu C, Che X, et al. Encapsulating amidoximated nanofibrous aerogels within wood cell tracheids for efficient cascading adsorption of uranium ions. ACS Nano, 2022, 16(8): 13144-13151 doi: 10.1021/acsnano.2c06173
[158] Chen G, Li T, Chen C, et al. A highly conductive cationic wood membrane. Advanced Functional Materials, 2019, 29(44): 1902772 doi: 10.1002/adfm.201902772
-
期刊类型引用(0)
其他类型引用(6)
下载:
计量
- 文章访问数:
- HTML全文浏览量:
- PDF下载量:
- 被引次数: 6
