轻质、高强度的结构材料在先进的工程领域有着特殊的应用前景。作为一种高效和可持续的材料，木材显示出转化为高性能结构材料的非凡潜力。
武汉大学陈朝吉教授、巴斯克大学Erlantz Lizundia等人受古埋木（木材在富含微生物和高压的环境中经历数千年后自然形成的材料）的启发，展示了一个生物力学过程，将天然木材快速转化为人工古埋木（命名为Bio-Strong-Wood）。生物处理使木质素解聚，软化细胞壁。然后，通过机械化学处理，Bio-Strong-Wood成分通过强大的氢键和共价键网络相互连接。这使得其机械强度大幅提高（539±21.7 MPa），超过了SAE 304不锈钢。此外，生命周期和技术经济评估表明，1kg Bio-Strong-Wood（最终产品）储存1.17kg CO2。总体而言，该工作提供了一种经济上具有竞争力、环境可持续且脱碳的现有结构材料替代品。
相关工作以《A superstrong, decarbonizing structural material enabled by microbe-assisted cell wall engineering via a biomechanochemical process》为题在《Science Advances》上发表论文。
值得一提的是，2025年7月15日，武汉大学陈朝吉、高恩来和中国林业科学研究院刘鹤、南京林业大学徐徐在国际知名期刊《Nature Communications》发表题为《Rapidly making biodegradable and recyclable paper plastic based on microwave radiation driven dynamic carbamate chemistry》的科研论文。
在文中，作者开发了一种多功能的改性材料，其主要成分是生物基的含碳酸酯环化合物和胺化合物。这种材料能够通过微波辐射在2分钟内实现纸张向类似塑料的材料（称为纸塑）的快速转变，这种材料的拉伸强度高达约126 MPa，这一数值是前所未有的。通过系统的实验和理论研究，纸塑材料之所以兼具出色的机械性能和耐水/溶剂性，是因为其容易形成富含氨基甲酸酯的非异氰酸酯聚氨酯，并且动态氨基甲酸酯部分与纤维素羟基之间的分子间交换机制起到了关键作用。此外，得益于生物基材料的高含量（>80%）和天然优势，纸塑材料比大多数石化基塑料具有更好的热稳定性、可加工性和生物降解性，这为动态氨基甲酸酯化学在高性能纸塑复合材料方面的应用展现了巨大的潜力。
图1 仿生设计的Bio-Strong-Wood——一种新兴的脱碳结构材料
古埋木源自地壳运动、山体滑坡等自然现象将远古森林树木埋于河床底部。在缺氧、高压以及微生物作用下，历经数千年，形成了古埋木（图1A）。在这一自然过程中，微生物分解木材，不会造成环境污染。尽管古埋木具有显著特性，但由于其形成过程漫长且复杂，目前尚无法实现大规模、高效率的应用。
受古埋木的启发，本文报道了一种微生物辅助的细胞壁工程策略，该策略将生物处理与随后的机械化学过程（即生物机械化学过程）相结合，以无污染的方式将天然木材快速转化为一种超强的脱碳结构材料（命名为“Bio-Strong-Wood”）。该策略广泛适用于各种木材种类，如椴木、橡木、松木、枫木、桦木和泡桐。由于椴木是一种常见且成本效益高的木材种类，因此被选为详细研究的模型木材种类。
在生物处理过程中，选择了在木质素分解领域研究最广泛且具有降解性的白腐真菌。通过控制生物处理的持续时间，实现了对木质素的“剪切”而非去除（图1B）。这一步骤会软化木材细胞壁，为后续的强化处理做好准备，且在成分上几乎不会发生改变。所获得的“Bio-Strong-Wood”具有高强度和高韧性这一独特的结合特性，相比其他传统的木材衍生复合材料和常用工程材料，其对环境的影响和价格都要低得多。此外，“Bio-Strong-Wood”在热和湿度的耐受性、高密度以及深色方面与古代的埋葬木材相似，可以被加工成所需的形状和尺寸，以用于特定的应用（图1C）。
图2 生物处理对木材的影响
生物处理是材料准备过程中最为关键的环节。白腐菌通过一种涉及木质素分解酶（例如木质素过氧化物酶（LiP）和锰过氧化物酶（MnP））以及酶介导的自由基链式反应的机制来分解木质生物质。这些酶活性的提高显著提高了木质素的降解效率。基于这种机制性的关联，优先确定了白腐菌的生长情况以及酶活性随时间的变化情况。在预培养期之后，白腐菌的生物量呈现出快速增长阶段，达到峰值后在一定范围内趋于稳定。同样，酶活性在预培养期之后也迅速上升，在几天内达到峰值。然而，在达到峰值之后，出现了明显的下降，最终稳定在较低的范围内（图2A）。这种模式可能归因于培养系统内的养分消耗。
为了更深入地了解生物处理时间对最终“Bio-Strong-Wood”产品机械强度提升的影响，对经过生物处理的木材样本进行了成分和形态分析。经过4天的生物处理后，木材中的木质素含量降低，而纤维素含量基本保持不变（图2B），并且与天然木材相比，观察到了木材细胞壁之间初步的分离现象（图2C、D）。相比之下，经过30天生物处理后的木材中的纤维素和木质素含量显著降低（图2B），细胞壁的厚度也大幅减小，这表明木材的结构已被破坏（图2E）。木质素含量的降低伴随着木材横截面中木质素自然荧光强度的降低（图2C至E）。
图3 Bio-Strong-Wood的形态和结构特征
虽然短期生物处理并未显著改变木材的形态，但热压处理却将木材从多孔状态转变为致密状态。SEM揭示了不同木材状态之间的结构差异。在天然木材中，可以观察到圆柱形导管和大小不一的纤维细胞，它们共同构成了多孔的横截面结构（图3A）。相反，Bio-Strong-Wood具有不同的结构，其横截面中没有孔隙（图3B）。3D扫描仪扫描显示Bio-Strong-Wood的横截面没有波动，表明其是一种无孔材料（图3C）。
鉴于纤维素在木材最终机械性能中的关键作用，利用X射线散射技术来研究天然木材、生物处理木材以及Bio-Strong-Wood中纤维素的形态。2D WAXS的结果表明，纤维素Iβ的主要晶型在整个Bio-Strong-Wood的制造过程中一直保持不变，而非再生纤维素（图3D至F）。WAXS结果还提供了有关原纤中纤维素分子链排列和堆叠状态的宝贵信息。在生物处理前后木材的结晶度有轻微变化，而在Bio-Strong-Wood中结晶度则更高（63.2%，图3G）。与天然木材相比，Bio-Strong-Wood中垂直于(200)平面的平均晶粒尺寸增大。这可能是由于纤维素结晶区域附近的自由纤维素链的共结晶。同样，Bio-Strong-Wood含有更多的纤维素链，这些链在纤维素微晶内部保持着高度有序的状态。因此，相邻纤维素链之间的氢键相互作用预计会增强。
二维SAXS图谱表明在加工处理后，材料中的纤维仍保持着高度定向性（图3H至J）。通过计算纤维素晶体的取向程度。天然木材和Bio-Strong-Wood的f值分别为0.55和0.63，这表明Bio-Strong-Wood中晶体的取向度有所增加（图3K）。总体而言，生物处理过的木材与天然木材相比，其纤维素状态几乎没有差异，而Bio-Strong-Wood则表现出更有序和更紧密的堆叠结构，从而满足了提高机械性能的形态和结构条件。
图4 木质素解聚和再聚的机理
除了研究在处理过程中纤维素结构的变化之外，还对木质素分子结构所发生的改变进行了研究。为了进行对比，获取了天然木材、生物处理木材和 Bio-Strong-Wood 的二维核磁共振（NMR）光谱，通过与已发表的文献进行比较，对木质素的异核单量子相干（HSQC）光谱中的交叉信号进行了归类。二维HSQC核磁共振谱中的侧链区域（δC/δH：50-90/2.8-6.0）尤为重要，因为它与木质素单元之间的相互连接有关。在图4A中可以识别出苯基甘油-β-苯基醚（结构A）和松脂醇（结构B）的信号，这表明天然木材中存在的木质素主要是通过β-O-4、β-β和α-O-γ键连接在一起的。而在生物处理过的木材中观察到了类似的信号，但强度有所降低（图4B）。
HSQC 形状整合分析表明，生物处理降低了结构A中 Cα-Hα（δC/δH：71.8/4.88）和Cβ-Hβ（δC/δH：83.2/4.33和85.8/4.13）的强度，以及结构B中的Cα-Hα（δC/δH：84.9/4.66）和Cβ-Hβ（δC/δH：53.6/3.06）的强度。通过XPS还观察到C-O强度的减弱，其含量从39.2%降至28.3%，这表明在生物处理阶段发生了醚键断裂（图4H、I）。此外，在经生物处理的木材的HSQC光谱中（图4B）发现了与Cγ-Hγ（δC/δH：61.4/4.10）（松香醇；结构I）相对应的强烈信号。在二维HSQC光谱的芳香区域中，可以观察到S和G木质素单元的信号强度有所降低，这可能是由于木质素的分解所致，这与木质素含量的降低结果相一致。
经二维HSQC光谱（δC/δH: 61.4/4.10）和定量13C光谱（δC：61-62）证实，生物处理木材热压后结构I的所有信号在Bio-Strong-Wood中消失（图4C）。此外，通过结合两组核磁共振谱所获取的完整数据表明，热压过程并未促进木质素降解产物形成β-O-4结构。同时，Bio-Strong-Wood中的C-C连接数大幅增加，这证实了在热压过程中，木质素通过形成C-C键而经历了一种自我交联过程（图4J）。图4K中的示意图展示了木质素降解和重组的完整过程。
简而言之，木质素分子在生物处理过程中受到酶和自由基的裂解，纤维间强度减弱。其中最具代表性的是芳基醚裂解，即观察到β-O-4的信号变化。热压后，木质素解聚中间体再聚合，这一过程也涉及芳醚键的再聚合，最终形成一个强大的共价键网络。
图5 Bio-Strong-Wood显示出高机械强度和高韧性的独特组合
根据结构和形态分析，Bio-Strong-Wood满足了展现出远超天然木材的机械性能的要求，并且其性能甚至超过了基准结构材料。Bio-Strong-Wood的抗拉强度高达539.8 MPa，这不仅比天然木材强12倍以上，而且也明显优于古代埋藏木材，甚至高于SAE 304不锈钢的520 MPa（图5A、B）。根据SHPB动态机械实验得出的抗冲击性能显示，Bio-Strong-Wood吸收的能量比天然木材增加了12倍（图5C、D）。
在材料设计过程中，要找到兼具强度和韧性这两种往往相互矛盾的特性材料是相当困难的。然而，Bio-Strong-Wood兼具这两种往往相互排斥的特性，其断裂面的尺寸比天然木材大11倍以上（图5B）。此外，Bio-Strong-Wood的断裂韧性KIC超过了天然木材的10倍（约34.2 MPa m1/2），与天然木材相当（2.6至3.2 MPa m1/2），并且与铝合金（19至41 MPa m1/2）相当（图5E）。力学性能的改善可归因于原始材料中缺陷的减少以及界面之间的紧密接触所产生的协同效应。特别是天然木材中的凹坑和木射线（图5F）容易成为裂纹扩展的场所。相反，Bio-Strong-Wood表现出完全不同的形态，木材射线和凹坑呈现封闭状态，降低了裂纹形成和随后扩展的敏感性（图5G）。
除了出色的机械性能外，Bio-Strong-Wood这种材料还因其其他诸多特性而颇具吸引力，其中包括在受潮环境下的稳定性。在97%的相对湿度下持续暴露192小时后，这种木材的质量仅增加了5.05%，而拉伸强度略有下降。令人印象深刻的是，Bio-Strong-Wood的质量和拉伸强度的变化均小于之前通过碱处理制备的“超级木材”所出现的变化，这可能是因为Bio-Strong-Wood中的木质素没有发生亲水性改性。此外，生物和机械化学处理不会牺牲木材样品的热稳定性，生物强木材在高温（250℃）下的优异热稳定性证明了这一点，优于传统的化石碳衍生聚合物。
图6 生产Bio-Strong-Wood的经济效益和环境影响
作为一种关键的结构材料，Bio-Strong-Wood的经济可行性对于其实际应用具有重要意义。Bio-Strong-Wood 在工业生产中的制造流程如图6A所示。为了进行对比，还展示了GFRP的制备过程，这是一种在建筑和汽车制造中必不可少的材料。与GFRP相比，Bio-Strong-Wood的制备过程更加简便和便捷，使得成本（包括材料获取和加工成本）显著降低（每千克成本为人民币2.46元，而GFRP为人民币86.61元）。此外，Bio-Strong-Wood比其他五种广泛使用的商业结构材料具有明显的优势（图6B）。
此外，还进行了生命周期评估（LCA）来研究Bio-Strong-Wood的环境可持续性。温室气体排放量主要的贡献因素包括木材获取、能源消耗、土豆残渣处理以及葡萄糖的使用（图6C）。如图6D所示，使用过的木材的生物源碳吸收积分超过了加工过程中的所有影响总和，从而为“Bio-Strong-Wood”带来了2.95×10-3千克CO2每dm3/MPa当量的净收益。1kg Bio-Strong-Wood（最终产品）储存1.17kg CO2。这种从大气中去除CO2的能力证明，该制造方法不仅能生产出具有出色功能特性的结构材料，还能为实现材料的脱碳提供极具吸引力的替代方案。与上述提到的六种结构材料相比，Bio-Strong-Wood的全球变暖潜值显著更低，无论是否将生物碳纳入考量范围与否（图6E）。
A superstrong, decarbonizing structural material enabled by microbe-assisted cell wall engineering via a biomechanochemical process，Science Advances，2025.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady0183