堅硬的材料在工程套用中需求量很大。廣泛使用的合金和陶瓷等往往是不可再生且昂貴的。它們的生產需要高能耗，往往會對環境造成負面影響。
在此，來自美國馬里蘭大學的李騰等研究者展示了一種潛在的低成本和永續的天然木材硬質材料，有望代替鋼材和塑膠。相關論文以題為「Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic」發表在Matter上。
論文連結：https://www. sciencedirect.com/scien ce/article/pii/S2590238521004653
硬質材料，如鎳基和鈦基合金，金屬的氮化物和碳化物，如氮化碳，氮化硼和金剛石等，在眾多領域都有很大的興趣，包括切割和拋光工具，連線和固定材料，以及耐磨塗層等。然而，這些廣泛使用的硬質材料，往往是不可再生的且價格昂貴。例如，許多硬質材料的合成，需要極端的條件(如超高壓和高溫)，因此，存在潛在的安全挑戰，同時需要消耗巨大的能源。這種合成過程，往往會排放大量的廢氣，對環境造成負面影響。因此，一種可在簡單過程中生產的永續的、低成本的硬質材料是非常可取的，但迄今為止仍然是一個挑戰。
木材，作為建築、家具和工具的結構材料，在人類社會中已經廣泛使用了數千年。地球上有超過萬億棵成熟的樹木。由於木材及其衍生物的天然豐富性和內在可再生性，人們對利用木材作為石油衍生材料(如塑膠)和其他不永續材料(如混凝土和鋼材)的潛在低成本替代品的興趣大增。纖維素是木材的主要組成部份(40 - 45 wt %)，是地球上含量最豐富的生物聚合物，具有非凡的內在力學效能。例如，纖維素的剛度≈150 GPa，理論抗拉強度為1.6-7.7 GPa。纖維素的低密度(1.5-1.6 g cm-3)進一步導致其比強度為1.0-5.1 GPa cm3g-1，高於大多數工程材料，包括鈦合金等。 這些非常理想的效能表明，將木材轉變為高效能結構材料具有巨大潛力。
在這裏，研究者展示了一種簡單而有效的方法，可將散裝天然木材加工成硬化木材(HW)。 與天然木材相比硬度增加了23倍 。為了展示HW的潛在套用，研究者進一步將HW加工成餐刀， 其鋒利程度幾乎是商用餐刀的三倍。 此外，研究者還展示了硬化木材釘，可以達到與鋼釘相當的效能，並且可以輕松地釘入天然木板並將它們固定在一起。這些令人鼓舞的演示表明了，硬化木材作為傳統硬質材料的可再生和低成本替代品的前景，以及使用HW的額外優勢，如減少塑膠消耗和克服鋼釘生銹等問題。
圖1 將大塊天然木材直接轉化為HW的方法示意圖及其潛在套用。
圖2 HW的形貌、成分和力學效能。
圖3 用食品級礦物油對HW表面進行油處理，得到的耐水效能。
圖4 油處理HW作為可重復使用的鋒利工作台刀的套用演示。
圖5 HW作為輕質防銹釘替代鋼釘的套用演示。
在此，研究者展示了一種簡單制造基於天然木材的超硬材料的有效策略，以及這種超硬材料的兩個潛在套用。透過改變天然木材的化學處理時間來最佳化生產條件，以達到所得材料的最高硬度值，其硬度是天然木材的23倍。硬化木材的這些卓越的力學效能，再加上其固有的優勢，如永續性、自然豐富和低成本，使其有望在廣泛的套用中成為替代鋼鐵和塑膠的候選材料。（文：水生）
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