人类对木材的运用有着悠长的前史，但是因为木头塑性较差的缺陷，进入现代社会后，许多本来要用到木材的场合被金属和塑料代替。但因为木材的环保优势，不少资料学家仍然致力于开展这种资料。现在，他们现已成功处理了木材的塑性问题，也将木材的硬度提升到新的高度。在未来，木材有望代替金属和塑料，再度成为最常用的资料吗？
你或许会看到不少树木，却没那么简略找到由这些树木加工而来的东西：高楼大厦是钢筋混凝土做的；街上奔驰的轿车，外壳是金属做的，轮胎是橡胶做的；广告牌、海报横幅通常是塑料做的；栏杆和街灯灯柱也是金属做的……或许日常最常见的木制品，只要摆在家里的家具了。一旦出了门，你或许只能在公园的景象修建中找到木制品的影子。
这样的情形让咱们全然幻想不到，其实木材是人类运用前史最悠长的资料之一。原始人类靠着木头开展起了生火技能，中国古代的绝大部分修建和车辆也是木构的，在其时的城市街头找到一件木制品实在是再简略不过了。那么为什么木头在今日的运用范围远不及其他资料了呢？
一个重要原因是木头的塑性太差了。要想改动一块木头的形状，根本上只能靠切开、雕琢，远不及金属和塑料通过加热塑形来得便利。因而在金属挖掘、加工技能，以及聚合物组成技能进步今后，许多需求加工出杂乱形状的场合就离别木材了。
但是木头有一个不行代替的优势：环境友好。木材是可再生的，并且它的出产加工进程不会对环境产生大规模污染，这在今日地球环境改动的布景下显得特别有价值。相比之下，塑料难以降解，它的质料石油又是不行再生资源；而金属的挖掘、加工进程需求耗费很多动力， 伴随着很多污染的产生。因而，不少资料学家从头把目光投向木材，期望将它开展成金属和塑料的代替品。不过要完成这一点，头一个要处理的问题是，怎么让木头变得可塑呢？
要想让木头变得可塑，咱们先要理解木头为什么这么“生硬”。植物的微观结构能够给出头绪。
植物的细胞包裹在细胞壁中，细胞壁主要由纤维素（cellulose）、半纤维素和其他多糖组成，而它们之间的空地被木质素（lignin）填充。在植物的木质部（也就是能够称作“木头”的部分）中，细胞壁会阅历木质化进程，其间的木质素堆积下来，增加了细胞壁的厚度，使得木质部取得较高的机械强度，足以支撑起整个植株。能够说，木质素就是木头的“骨架”，它使得木头机械强度高到能够做房梁和柱子，却也使木头失去了塑性，不简略产生形变。
因而要想让木头变柔软，榜首步就是去除木质素。这个道理古人早就理解了，并且运用到一项咱们了解的工艺中：造纸。不管是手艺造纸仍是工业造纸，拿到稻草、芦苇杆、木屑这些质料后，一般都要用化学办法去除其间的木质素，得到以纤维素为主的纸浆，再进行后续加工。这种脱木质素进程（delignification）是改造木材的一种常用办法。
木头加工成纸张之后，形状能够简单改动了，却也失去了机械强度，无法接受大分量的冲压、拉扯，这使得纸张根本只能用于印刷和简略的包装。想要让木头取得更广的运用，咱们需求考虑：能不能找到一种办法，在不丢失机械强度的前提下，让木头能够像纸相同折叠？
上星期宣布于《科学》（Science）杂志的一项研讨仔细探究了这个问题，来自美国马里兰大学的研讨人员把造纸的榜首步用到了天然木材的处理上。
但与造纸不同的是，首要，木材并没有被打碎成木浆，研讨人员处理的是一块约3毫米厚的薄木板（作为比照，一张A4纸的厚度约为0.1毫米）；其次，脱木质素进程并没有把悉数的木质素去除，而是去除了大约55%的木质素和67%的半纤维素。通过脱木质素进程和烘干处理后，研讨人员得到了一块“紧缩木头”。因为失去了木质素的支撑作用，木头中的维管和纤维结构坍缩揉捏在一同，木头变得细密，仍然生硬、无法弯折。
接下来研讨人员将紧缩木头浸入水中约3分钟。阅历了这个被称为“冲水”（water-shock）的进程之后，紧缩木头中的纤维结构仍然是坍缩的，但维管结构从头打开了，让木头在微观上有了空地，也就有了形变的空间。这样处理往后，研讨人员得到了能够塑形的木头。这种木头能够屡次半数而不开裂，这意味着它能够像纸相同折叠成杂乱的形状。而折叠成想要的形状后，只要在室温下晒干，可塑木头的形状就固定下来了。
从左到右依次为天然木材、紧缩木材、通过冲水后的可塑木材及其微观结构示意图 图片来历：Xiao et al., Science
晒干后的木头比天然木头具有更高的机械强度。据研讨人员丈量，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。并且因为密度较低，可塑木头的比抗拉强度（抗拉强度与密度之比）大约是常用的5052铝合金板的5倍。这意味着，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。
通过脱木质素处理的木头显现出如此巨大的潜力，既能够简单改动形状，又具有优秀的机械强度。处理木头塑性的问题的一同，研讨人员也很猎奇，终究成型的木材能够具有多么高的硬度？在稍早一些宣布在《物质》（Matter）杂志的一项研讨中，来自相同科研单位的研讨人员探究了木头的硬度极限。
研讨人员仍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文20兆帕的压力下对样品进行紧缩，再加热到105℃进行烘干。最终一步，将样品浸入食品级油中48小时，使木材外表取得防水性。通过这样处理后，研讨人员得到了“硬化木头”的样品。
这种硬化木头的硬度有多高呢？研讨人员用硬化木头样品做了两把木刀，一把的木纤维走向与刀刃平行，另一把木纤维走向与刀刃笔直。扫描电子显微镜成像显现，两种木刀都比一般钢制餐刀尖利得多。经研讨人员演示，这种硬化木刀能够简单切开半熟的牛排。
除了木刀外，研讨人还用硬化木头制作了木钉。经抛光处理的硬化木钉能够将三块木板钉在一同，尖利程度能够与商用钢钉对抗，并且不易生锈。除了木刀和木钉外，硬化木头还能够用来制作地板和家具，更高的硬度使得这些产品更耐刮擦和磨损。
不管可塑木头仍是硬化木头，对加工条件的要求都十分简略满意。其间的脱木质素处理在造纸厂中很常见，后续的枯燥、冲水或紧缩处理也相对简略完成，不像金属的加工进程，常常需求到达上千度的高温。这大大节省了出产进程中的能耗，也降低了这些新式木材投入量产的门槛。并且木头质料极易获取、本钱低价，假如这些木材广泛代替金属和塑料，咱们有望以更低的价格买到各种日子用品。
马里兰大学资料学家的这两项研讨，为可持续开展贡献了新的资料。或许未来某一天，咱们在城市街头会看到木制品代替了塑料和金属：轿车的外壳换成了更轻浮、坚固的木头，街灯灯柱是木头制成的，和周围的树木融为一体……不过，今日的研讨仅仅处理了木头塑性和硬度的问题，要想让木制品大规模投产运用，还有更多问题有待处理：怎样避免木头长真菌、生虫？木制品的防火性怎么保证？咱们等待未来的研讨逐渐处理这些问题，让木头这种陈旧的资料，再次改动咱们日子的相貌。
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