博雯 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
把一块木头加硬23倍会发生什么？
比商业餐刀还要锋利3倍，可以轻松切开一块五分熟的极具韧劲的牛排：
不会像铁钉那样生锈，但仍能钉穿三块5毫米厚的木板：
这是一种将天然木材加工成为硬质材料的新方法，不仅有效利用了木材这种可再生资源，而且通过这种方法制成的硬质材料比传统的合金、陶瓷成本更低，更锋利。
在保留了木材轻便、永不生锈的优点的基础上，这种硬质木材也具有极佳的防水性。
这项研究来自华人科学家领导的科研团队，目前论文已发表在Cell旗下的子刊Matter上。
去除木质素，形成致密结构
那么一块普普通通的木材，到底是如何变硬变锋利的呢？
其实，木材主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。
其中纤维素只占木材的40%到50%，但本身却是一种非常坚固的材料，其强度密度比率比大多数金属和合金都要高。
因此，减少木材中非纤维素的成分自然就能提高材料的整体硬度。
研究团队将去除的重点放在了普通木材中用于粘合纤维的木质素上：
他们先把未加工的原木块切成样品大小，然后将样品浸泡在混合氢氧化钠和亚硫酸钠的水基溶液中，以填充原木中的囊状物和孔隙，并使样品沉入容器底部。
再让木材样本和溶液分别在100℃下煮沸2、4和6个小时，然后用去离子水冲洗样本以去除残留的化学物质。
随着大部分木质素的消失，木头变得柔软，有弹性，还有点粘。
接下来进行第二步，挤出水分，进行热压干燥，进一步将材料致密化：
团队在室温和20兆帕的条件下使用热压机，并在材料上覆盖纸巾来吸收渗出的水，再将样品加热到105℃，使其干燥。
在最后阶段，将得到的材料在食品级矿物油中浸泡48个小时，使木材表面具有防水性。然后就可以通过弯曲和抛光将其加工为刀子或钉子等形状了。
这些步骤能使木材细胞壁完全塌陷，让纤维素密集地平行排列，形成一种致密的材料结构，使其硬度大大提升：
△A、B为天然原木，C、D为处理后
硬度、锋利度强于其他材料
团队使用布氏硬度测试方法对加工前后的材料进行了评估，可以看到，加工得到的硬质木材（HW）的布氏硬度值（BHN）大约是天然木材的23倍：
他们也对比了钢、塑料、普通木材和新方法所得硬质木材等几种不同材料制成的刀具的锋利程度。
当在相同条件下切割同直径的聚合物线材时，可以看到，两种硬质木材切割测试介质所需的力是最小的，这也就说明了这种材料最为锋利：
△Type I、Type II为新方法加工后的硬质木材
而同时用钢钉和木钉来穿透三层相叠的5毫米木板，可以看到，木钉拥有与钢钉几乎一致的穿透力：
在餐桌中或工程中使用的很多材料，比如塑料，虽然轻便，但难以降解，会对环境造成危害。
而钢、合金，以及常用于各种工程应用的氮化物和钻石需要极端的能源密集条件（远高于制作硬质木材的超高温和高压），制造成本很高，而且往往不可再生。
所以，团队中的Li和同事们都认为，这种集防锈性、轻质性、低成本、可再生于一体的硬质木材，或许可以成为传统硬质材料的替代品。
作者介绍
论文的一作BoChen和通讯作者都为华人。
其通讯作者Teng Li为哈佛大学博士，现任马里兰大学机械工程系的教授，主要研究可持续材料力学、储能材料力学、纳米电子机械等领域。
论文地址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238521004653
参考链接：
[1]https://www.cbc.ca/radio/quirks/oct-23-vikings-in-newfoundland-new-rocks-from-the-moon-making-wood-better-and-more-1.6219865/scientists-have-found-a-way-to-harden-wood-to-make-a-knife-that-rivals-steel-1.6219874
[2]https://arstechnica.com/science/2021/10/watch-this-wooden-knife-cut-effortlessly-through-juicy-medium-well-done-steak/