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他们用造纸的《de》原理,造出“chu”了比不锈 xiu[钢还硬的木刀

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木材是可再生的,且其生产加工过程不会对环境产生大规模污染,这在今天地球环境变化的背景下显得尤其有价值。因此,不少材料学家重新把目光投向木材,希望将它发展成金属和塑料的替代品。不过要实现这一点,首先要让木头变得可塑。

木质素如同木头的“骨架”

要让木头变得可塑,我们先要明白木头为什么这么“僵硬”。植物的微观结构可以给出线索。

植物的细胞包裹在细胞壁中,细胞壁主要由纤维素、半纤维素和其他多糖组成,而它们之间的空隙被木质素填充。在植物的木质部中,细胞壁会经历木质化过程,其中的木质素沉积下来,增加了细胞壁的厚度,使得木质部获得较高的机械强度,足以支撑起整个植株。可以说,木质素就是木头的“骨架”,它使得木头机械强度高到可以做房梁和柱子,却也使木头失去了塑性,不容易发生形变。

想让木头变柔软,第一步便是去除木质素。这个道理古人早就明白了,而且把它运用到一项我们熟悉的工艺中:造纸。拿到稻草、芦苇秆、木屑这些原料后,一般都要用化学方法去除其中的木质素,得到以纤维素为主的纸浆,再进行后续加工。这种脱木质素过程是改造木材的一种常用方法。

木头加工成纸张后,形状可以轻易改变,却也失去了机械强度,无法承受大重量的冲压、拉扯。能不能找到一种方法,在不损失机械强度的前提下,让木头可以像纸一样折叠?

处理后的木头机械强度更高

近日发表于《科学》杂志的一项研究中,来自美国马里兰大学的研究人员把造纸的第一步用到了天然木材的处理上。

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但与造纸不同,首先木材并没有被打成木浆,研究人员处理的是一块约3毫米厚的薄木板;其次脱木质素过程仅去除了大约55%的木质素和67%的半纤维素。经过脱木质素过程和烘干处理后,研究人员得到了一块压缩木头。由于失去木质素的支持作用,木头中的维管和纤维结构坍缩挤压在一起,木头变得致密,依然僵硬、无法弯折。

接下来研究人员将压缩木头浸入水中约3分钟。经历这一过程后,压缩木头中的纤维结构依然是坍缩的,但维管结构重新打开,让木头在微观上有了空隙,有了形变空间,研究人员得到了可以塑形的木头。这种木头可以多次对折而不断裂,这意味着它可以像纸一样折叠成复杂的形状。而折叠成想要的形状后,只要在室温下晾干,可塑木头的形状就固定下来了。

晾干后的木头比天然木头拥有更高的机械强度。据研究人员测量,这种可塑木头沿木纤维方向的抗拉强度约为300兆帕,抗压强度约为60兆帕,分别是天然木材的6倍和2倍。而且由于密度较低,在机械强度相同的情况下,用可塑木头做的结构要比铝合金做的轻得多。

解决木头塑性问题的同时,研究人员也很好奇,最终成型的木材可以拥有多么高的硬度?在稍早一些发表在《物质》杂志的一项研究中,来自相同科研单位的研究人员探索了木头的硬度极限。

研究人员依然先对天然木材进行脱木质素处理,得到以纤维素为主的样品。之后用热压机在室温和20兆帕的压力下压缩样品,再加热到105℃烘干。最后将样品浸入食品级油中48小时,使木材表面获得防水性。经过这种处理后,研究人员得到了硬化木头的样品。

研究人员用硬化木头样品做了两把木刀,一把木纤维走向与刀刃平行,另一把木纤维走向与刀刃垂直。扫描电子显微镜成像显示,两种木刀都比普通钢制餐刀锋利得多。经研究人员演示,这种硬化木刀可以轻易切开半熟的牛排。

研究人员还用硬化木头制作了木钉。经抛光处理的硬化木钉可以将三块木板钉在一起,锋利程度可与商用钢钉匹敌且不易生锈。

(据《环球科学》)

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