這種木頭比鋼和陶瓷更鋒利，輕松切開半熟牛排，釘穿三層木板，還永不生銹 | Cell子刊

博雯 2021-10-25 18:47:28 來源：量子位

博雯 發(fā)自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

把一塊木頭加硬23倍會發(fā)生什么？

比商業(yè)餐刀還要鋒利3倍，可以輕松切開一塊五分熟的極具韌勁的牛排：

不會像鐵釘那樣生銹，但仍能釘穿三塊5毫米厚的木板：

這是一種將天然木材加工成為硬質(zhì)材料的新方法，不僅有效利用了木材這種可再生資源，而且通過這種方法制成的硬質(zhì)材料比傳統(tǒng)的合金、陶瓷成本更低，更鋒利。

在保留了木材輕便、永不生銹的優(yōu)點的基礎(chǔ)上，這種硬質(zhì)木材也具有極佳的防水性。

這項研究來自華人科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊，目前論文已發(fā)表在Cell旗下的子刊Matter上。

去除木質(zhì)素，形成致密結(jié)構(gòu)

那么一塊普普通通的木材，到底是如何變硬變鋒利的呢？

其實，木材主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。

其中纖維素只占木材的40%到50%，但本身卻是一種非常堅固的材料，其強度密度比率比大多數(shù)金屬和合金都要高。

因此，減少木材中非纖維素的成分自然就能提高材料的整體硬度。

研究團隊將去除的重點放在了普通木材中用于粘合纖維的木質(zhì)素上：

他們先把未加工的原木塊切成樣品大小，然后將樣品浸泡在混合氫氧化鈉和亞硫酸鈉的水基溶液中，以填充原木中的囊狀物和孔隙，并使樣品沉入容器底部。

再讓木材樣本和溶液分別在100℃下煮沸2、4和6個小時，然后用去離子水沖洗樣本以去除殘留的化學(xué)物質(zhì)。

隨著大部分木質(zhì)素的消失，木頭變得柔軟，有彈性，還有點粘。

接下來進行第二步，擠出水分，進行熱壓干燥，進一步將材料致密化：

團隊在室溫和20兆帕的條件下使用熱壓機，并在材料上覆蓋紙巾來吸收滲出的水，再將樣品加熱到105℃，使其干燥。

在最后階段，將得到的材料在食品級礦物油中浸泡48個小時，使木材表面具有防水性。然后就可以通過彎曲和拋光將其加工為刀子或釘子等形狀了。

這些步驟能使木材細胞壁完全塌陷，讓纖維素密集地平行排列，形成一種致密的材料結(jié)構(gòu)，使其硬度大大提升：

△A、B為天然原木，C、D為處理后

硬度、鋒利度強于其他材料

團隊使用布氏硬度測試方法對加工前后的材料進行了評估，可以看到，加工得到的硬質(zhì)木材（HW）的布氏硬度值（BHN）大約是天然木材的23倍：

他們也對比了鋼、塑料、普通木材和新方法所得硬質(zhì)木材等幾種不同材料制成的刀具的鋒利程度。

當(dāng)在相同條件下切割同直徑的聚合物線材時，可以看到，兩種硬質(zhì)木材切割測試介質(zhì)所需的力是最小的，這也就說明了這種材料最為鋒利：

△Type I、Type II為新方法加工后的硬質(zhì)木材

而同時用鋼釘和木釘來穿透三層相疊的5毫米木板，可以看到，木釘擁有與鋼釘幾乎一致的穿透力：

在餐桌中或工程中使用的很多材料，比如塑料，雖然輕便，但難以降解，會對環(huán)境造成危害。

而鋼、合金，以及常用于各種工程應(yīng)用的氮化物和鉆石需要極端的能源密集條件（遠高于制作硬質(zhì)木材的超高溫和高壓），制造成本很高，而且往往不可再生。

所以，團隊中的Li和同事們都認為，這種集防銹性、輕質(zhì)性、低成本、可再生于一體的硬質(zhì)木材，或許可以成為傳統(tǒng)硬質(zhì)材料的替代品。

作者介紹

論文的一作BoChen和通訊作者都為華人。

其通訊作者Teng Li為哈佛大學(xué)博士，現(xiàn)任馬里蘭大學(xué)機械工程系的教授，主要研究可持續(xù)材料力學(xué)、儲能材料力學(xué)、納米電子機械等領(lǐng)域。

論文地址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238521004653

參考鏈接：
[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/