李 堅，孫慶豐（東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150040）

大自然給予的啟發(fā)
——木材仿生科學(xué)芻議

李 堅，孫慶豐
（東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150040）

本文有針對性地列舉了自然界某些生物體所固有的智能行為和獨特的自然屬性；由自然現(xiàn)象給予的啟發(fā)，闡述了構(gòu)建木材仿生科學(xué)的理論基礎(chǔ)；提出了依據(jù)生物學(xué)原理和現(xiàn)代技術(shù)，賦予木材奇異功能或創(chuàng)生新型復(fù)合材料的發(fā)展空間。

木材；仿生科學(xué)；超疏水；氣凝膠；智能；界面

1 前言

自然界的生物體經(jīng)過數(shù)十億年的物競天擇、優(yōu)勝劣汰，其結(jié)構(gòu)與功能已趨完美，實現(xiàn)了宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的有機(jī)統(tǒng)一[1]。從大自然給予的啟發(fā)，向自然界學(xué)習(xí)，模仿自然界生物體功能的某一方面，構(gòu)筑相似甚至超越自然生物體功能的新型仿生材料，完成智能操縱過程，進(jìn)而獲得高效、低能耗、環(huán)境和諧且快速智能應(yīng)變的新材料及其新性質(zhì)，研究和構(gòu)筑高性能的仿生智能材料是人類發(fā)展進(jìn)程中的一個永恒課題[1]。

木材是一種天然的有機(jī)復(fù)合材料，具有結(jié)構(gòu)層次分明、構(gòu)造復(fù)雜有序、分級結(jié)構(gòu)鮮明、多孔結(jié)構(gòu)精細(xì)等特性，同時具有各向異性、低密度、高彈性、機(jī)械性能優(yōu)良和來源豐富、可再生、清潔等特點，為木材仿生奠定了廣闊的空間[2]。木材仿生智能科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究是木材科學(xué)發(fā)展中的一個具有里程碑意義的研究領(lǐng)域，它使木材從更微觀的層次師法自然，利用從生物體獲得的啟示為木材的功能拓展和高值化開發(fā)提供新的研究思路，通過構(gòu)筑具有仿生結(jié)構(gòu)的智能木材或復(fù)合材料，解決木材資源不足和使用中的種種限制，實現(xiàn)木材的自增值性、自修復(fù)性、自診斷性、自學(xué)習(xí)性和環(huán)境適應(yīng)性，使得木材從更高的技術(shù)層次上為人類的文明進(jìn)步服務(wù)。

2 仿生學(xué)概要

人類很早就有了仿生的思想?！俄n非子》曾記載古代工匠用竹木作鳥“成而飛之，三日不下”，這可以認(rèn)為是人類仿生學(xué)的先驅(qū)，也是仿生學(xué)的萌芽。雖然仿生學(xué)的歷史可以追溯到許多世紀(jì)以前，但一般把1960年9月由美國空軍航空局在俄亥俄州空軍基地戴通召開的第一次仿生學(xué)會議作為仿生學(xué)正式誕生的標(biāo)志。仿生學(xué)一詞最早是由美國人斯蒂爾（Jack Ellwood Steele）取自拉丁文“bio”（生命方式）和詞尾“nic”（具有……性質(zhì)的）合成的，他認(rèn)為：仿生學(xué)是研究模仿生物系統(tǒng)方式，或是以具有生物系統(tǒng)特征的方式或類似于生物系統(tǒng)的方式建造技術(shù)系統(tǒng)的科學(xué)。后來又出現(xiàn)了biomimetics一詞，意思是模仿生物[3]；近年來bioinspired一詞逐漸為研究者們所關(guān)注，意為受生物啟發(fā)而研制的材料或進(jìn)行的過程。路甬祥[4]定義仿生學(xué)為：研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為以及相互作用從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)。

隨著材料學(xué)、化學(xué)、分子生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)以及納米技術(shù)的發(fā)展，仿生學(xué)向微納結(jié)構(gòu)和微納系統(tǒng)方向發(fā)展，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能一體化將是仿生材料研究前沿的重要分支。開展仿生結(jié)構(gòu)、功能及結(jié)構(gòu)-功能一體化材料的仿生研究具有重要的科學(xué)意義。它將認(rèn)識自然、模仿自然、在某一方面超越自然有機(jī)結(jié)合，將結(jié)構(gòu)及功能的協(xié)同互補(bǔ)有機(jī)結(jié)合，并在基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用技術(shù)之間架起了一座橋梁，為新型結(jié)構(gòu)、功能及結(jié)構(gòu)-功能一體化材料的設(shè)計、制備和加工提供了新概念、新原理、新方法和新途徑。

3 大自然給予的啟發(fā)

3.1 荷葉的滴水不沾特性

荷葉的滴水不沾特性是自然界中植物表面超疏水性能的典型描述，該特性與荷葉表面的獨特結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。Barthlott等[5，6]通過對植物葉片表面的研究表明：植物葉面的超疏水特性和植物葉面粗糙的微米級乳突結(jié)構(gòu)及疏水蠟質(zhì)材料相關(guān)。江雷課題組[7]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)荷葉表面除微米結(jié)構(gòu)外還有納米結(jié)構(gòu)存在，他們認(rèn)為荷葉表面的微/納米多級結(jié)構(gòu)和低表面能的蠟質(zhì)物使其具有超疏水和自清潔功能，在世界上首次提出了“二元協(xié)同納米界面材料”的新概念。在此啟發(fā)下，眾多科研工作者開展了仿生荷葉滴水不沾特性的研究工作。江雷課題組[8～10]利用靜電紡絲技術(shù)制備了多孔微球與納米纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水薄膜材料和具有類荷葉結(jié)構(gòu)的聚苯胺/聚苯乙烯復(fù)合膜，該復(fù)合膜表現(xiàn)出高導(dǎo)電性和自清潔效應(yīng)；還對無機(jī)金屬氧化物如ZnO、TiO2、SnO2等納米材料的光響應(yīng)智能超疏水/超親水可逆界面進(jìn)行了分析研究，研究結(jié)果為智能性響應(yīng)界面材料提供了新的研究思路。劉維民課題組在金屬材料的表面如鋁、銅、鋼等仿生構(gòu)筑具有超疏水性能的功能性薄膜，該薄膜同時具有與基材結(jié)合力強(qiáng)、耐酸堿、耐高低溫和時效性強(qiáng)等特征。在材料表面仿生荷葉滴水不沾特性構(gòu)筑功能性薄膜，不僅在理論研究上有重要意義，在實際生產(chǎn)中同樣具有重要的應(yīng)用價值。

3.2 棉花的輕柔飄逸特性

棉花是錦葵科棉花屬植物的種子纖維，纖維白色至白中帶黃，長為2～4 cm。棉花纖維是唯一的天然純凈纖維素材料，纖維素含量高達(dá)95%～97%。棉花纖維由直徑為100～200 nm的纖絲組成，纖絲交錯排列在一起，構(gòu)成細(xì)胞壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。仿生棉花輕質(zhì)飄逸特性，可將其用于生物質(zhì)廢棄資源（秸稈、椰殼、甘蔗渣等）高值化開發(fā)利用的研究，如分離制備高純纖維素、輕質(zhì)高強(qiáng)氣凝膠等。Olsson等[11]以納米纖維氣凝膠為模板，制備得到磁性氣凝膠納米材料。Korhonen等[12]以纖維素纖維為模板，獲得TiO2氣凝膠，該氣凝膠在傳感器、藥物釋放、載體等領(lǐng)域具有很好的潛在的應(yīng)用前景。浙江大學(xué)高超課題組[13]制備出目前世界上最輕的氣凝膠。本課題組以農(nóng)林業(yè)廢棄物為原料制備了可漂浮在花瓣上的纖維素基氣凝膠，有著優(yōu)良的彈性和吸油能力，與棉花的輕柔飄逸特性有著類似之處。仿生棉花的輕柔飄逸特性制備功能化氣凝膠，探究纖維素氣凝膠的形成工藝及機(jī)理，調(diào)控纖維素氣凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)，制備疏水親油性和具相反物性的纖維素氣凝膠，為利用可再生的纖維素資源獲得高新產(chǎn)品提供理論依據(jù)[14]。同時，也為促進(jìn)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)向高尖端發(fā)展提供技術(shù)保障。制備的輕質(zhì)高強(qiáng)纖維素氣凝膠在吸附海上泄漏污油、太陽能電池、土壤保水劑、催化劑及載體、氣體過濾材料等領(lǐng)域中具有較大的應(yīng)用價值。

3.3 海鞘的環(huán)境響應(yīng)特性

環(huán)境響應(yīng)型材料是指在外界環(huán)境微小變化的刺激下，材料自身的某些物理或化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生動態(tài)且可逆變化的材料，因而也被稱為“智能”材料或刺激響應(yīng)型材料。環(huán)境響應(yīng)型材料廣泛存在于自然界中，自然界中的生物都會根據(jù)外界環(huán)境的改變調(diào)節(jié)自身的性質(zhì)和功能。例如，海鞘根據(jù)所處環(huán)境條件的不同，通過神經(jīng)控制其體內(nèi)的色素細(xì)胞，快速改變身體的圖案和顏色。在海鞘環(huán)境響應(yīng)特性的啟發(fā)下，人們開始積極探索創(chuàng)造與其相似且具有精巧結(jié)構(gòu)和功能的環(huán)境響應(yīng)型材料，發(fā)展用于環(huán)境響應(yīng)型材料的合成技術(shù)和理論，這些材料可以對光、溫度、pH、電、磁等外界刺激產(chǎn)生（多重）響應(yīng)，調(diào)節(jié)自身的形狀、相態(tài)、表面能、反應(yīng)速率、滲透速率、親疏水性、吸附力、識別性能等一些關(guān)鍵性質(zhì)，廣泛地應(yīng)用于藥物傳遞、生物診斷、組織工程、光學(xué)傳感、微電機(jī)、涂料和紡織材料等領(lǐng)域[15]。Weder課題組[16]利用環(huán)氧乙烷、環(huán)氧氯丙烷、纖維素納米纖維等制備了智能的能在僵硬與松軟狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的材料。江雷等[17]研究制備了具有熱敏性及pH響應(yīng)性的功能性材料，同時他們還制備了溫度、pH和葡萄糖濃度多響應(yīng)浸潤型表面材料。構(gòu)筑特定性質(zhì)的環(huán)境響應(yīng)型智能功能材料不僅能滿足實際應(yīng)用的需求，而且將大大提升材料的設(shè)計空間，賦予材料新的功能，強(qiáng)化其現(xiàn)有性能，突破現(xiàn)有材料應(yīng)用瓶頸，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，直接與重大實際應(yīng)用需求實現(xiàn)對接。

3.4 扇貝的層級結(jié)構(gòu)

扇貝為軟體動物門雙殼綱翼形亞綱珍珠貝目中的一科，屬于貝殼的一種。貝殼的結(jié)構(gòu)是典型的層級結(jié)構(gòu)，一般可分為3層：最外一層為角質(zhì)層，很薄，透明，有光澤，由殼基質(zhì)構(gòu)成，不受酸堿的侵蝕，可保護(hù)貝殼；中間一層為殼層，又稱棱柱層，占貝殼的大部分，由極細(xì)的棱柱狀的方解石（CaCO3，三方晶系）構(gòu)成；最內(nèi)一層為殼底，即珍珠質(zhì)層，富光澤，由小平板狀的結(jié)構(gòu)單元累積而成，成層排列，組成成分是多角片型的文石結(jié)晶體（CaCO3，斜方晶系）[18～20]。對貝殼珍珠層的結(jié)構(gòu)分析表明，其并不是單純的層片結(jié)構(gòu)，而可以看成兩級尺度結(jié)構(gòu)的耦合，是一種天然的無機(jī)-有機(jī)層級分明的復(fù)合材料，它主要由約95%的CaCO3和5%的有機(jī)基質(zhì)構(gòu)成，其抗張強(qiáng)度是普通CaCO3的幾千倍，因此貝殼輕質(zhì)高強(qiáng)的原因與其獨特的多尺度、多級次組裝結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[21]。受貝殼輕質(zhì)高強(qiáng)層級結(jié)構(gòu)影響，Podsiadlo等[22]利用層層組裝技術(shù)（LBL）制備了聚乙烯醇/蒙脫土透明層狀復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度和楊氏模量較純聚乙烯醇材料分別提高了近10倍和100倍。Bonderer等[23]研究小組利用自下而上的膠體組裝技術(shù)仿生制備了陶瓷板-殼聚糖層狀復(fù)合材料，該材料質(zhì)量僅有鋼的1/2～1/4，卻有鋼一般的強(qiáng)度。通過觀察研究扇貝等貝殼通過自身礦化調(diào)控形成高度有序的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，仿生構(gòu)筑貝殼類結(jié)構(gòu)的功能材料為不同領(lǐng)域內(nèi)的新型材料開發(fā)和研究提供了重要的發(fā)展空間，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

3.5 候鳥、海龜?shù)摹扒Ю镞w徙”和“萬里洄游”特性

眾所周知，燕子等候鳥每年都在春秋兩季分別從南方飛回北方，又從北方飛到南方；一些海龜從棲息的海灣游出幾百甚至幾千公里后又能回到原來的棲息處。它們是如何辨別方向的？尤其是在茫茫的海洋上？候鳥、海龜?shù)摹扒Ю镞w徙”和“萬里洄游”特性主要是和這些動物利用地球的磁場有關(guān)。它們主要依賴地球的磁場來進(jìn)行定位，候鳥體內(nèi)的“導(dǎo)航地圖”和海龜?shù)摹吧锪_盤”與地球磁場產(chǎn)生作用，從而使它們能絲毫無誤地回到自己的棲息地。物質(zhì)具有的磁性可用來進(jìn)行精確定位已被現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所證實[1]。本課題組目前正以木材、竹材為原料，選擇含有某些金屬元素的前軀體，采用水熱法成功制備了趨磁性木材，相關(guān)研究工作近期將予以發(fā)表。在現(xiàn)代社會，通過仿生候鳥、海龜?shù)摹扒Ю镞w徙”和“萬里洄游”特性，研究開發(fā)了先進(jìn)的高能加速器、粒子檢測器、磁共振成像以及現(xiàn)代通訊技術(shù)；同時，通過仿生一些動物利用日月星辰導(dǎo)航，也有些動物利用海流、海水成分、地磁場、重力場等進(jìn)行導(dǎo)航，為研制通訊設(shè)備和新型導(dǎo)航儀器提供了啟示。

3.6 樹根的自修復(fù)特性

樹根在受傷后，經(jīng)過一段時間，受傷部位可以通過生物體的自身作用而完整愈合。這種現(xiàn)象在許多植物中都存在，生物愈合過程存在著大量共性：首先，愈合過程是由損傷引起的，在生命機(jī)能沒有受到致命傷害的情況下，損傷是啟動愈合機(jī)制的最基本條件；其次，在愈合初期，損傷逐漸被由損傷刺激而產(chǎn)生的增生組織所填充；隨后通過機(jī)體的輸運、化學(xué)反應(yīng)，填充在損傷部位的物質(zhì)(如薄壁組織、凝塊等)發(fā)生變化，強(qiáng)度提高，構(gòu)成與周圍組織的有效連接；同時愈合過程需要一定的物質(zhì)及能量供應(yīng)，以產(chǎn)生填充損傷的組織，而向損傷處供應(yīng)物質(zhì)的輸運過程都有液相的參與；最后，生物的愈合是使損傷處的有效連接恢復(fù)。受此現(xiàn)象啟發(fā)，科學(xué)家們針對工程、建筑、路面中存在的材料破壞仿生研究了自修復(fù)材料。自修復(fù)材料是一種智能材料，同時具有感知和激勵雙重功能。自修復(fù)材料可延長產(chǎn)品的使用壽命，并提升產(chǎn)品的安全性。仿生樹根自修復(fù)特性，楊紅等[24]將灌注膠液的液芯光纖埋入玻璃鋼復(fù)合材料中制成兼有自診斷和自修復(fù)功能的智能材料，測得其對拉伸能力的修復(fù)達(dá)到原始值的1/3，對壓縮的修復(fù)達(dá)到2/3以上。White等[25]制備了一種具有自動修復(fù)裂紋能力的聚合物材料，這種材料嵌有內(nèi)裝修復(fù)劑的微膠囊，每個微膠囊約有頭發(fā)絲寬，這些微膠囊遇到裂紋入侵時破裂，并通過毛細(xì)作用釋放修復(fù)劑到裂紋面，修復(fù)劑接觸預(yù)先埋入環(huán)氧基體的催化劑而引發(fā)聚合，鍵合裂紋面，這種損傷誘導(dǎo)的引發(fā)聚合使得裂紋修復(fù)實現(xiàn)了就地自動控制。Wong等[26]仿照豬籠草的疏水策略，開發(fā)出一種極為光滑的涂層材料，幾乎能排斥包括血液、油在內(nèi)的任何液體，甚至在高壓、冰凍等極端環(huán)境條件下，仍能保持排斥液體或固體的能力，同時該涂層材料具有自修復(fù)功能，即使用刀子刮壞一部分，也能立即自行修復(fù)，修復(fù)后仍保持疏水性能，該材料在運輸燃料和水的管道、醫(yī)用導(dǎo)管(如導(dǎo)尿管和輸血系統(tǒng))、自動清潔窗、無菌無垢表面等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。自修復(fù)材料是一種新型智能材料，在這方面的研究還相對較少，然而從它的功效來看，應(yīng)具有廣闊的應(yīng)用前景，智能自修復(fù)材料對提高產(chǎn)品的安全性和可靠性有著深遠(yuǎn)的意義。

4 木材仿生科學(xué)理論基礎(chǔ)

4.1 木材的多尺度分級結(jié)構(gòu)

木材是由各種不同的組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分構(gòu)成的，是一類結(jié)構(gòu)層次分明、構(gòu)造有序的聚合物基天然復(fù)合材料，從米級的樹干，分米、厘米級的木纖維，毫米級的年輪，微米級的木材細(xì)胞，直到納米級的纖維素分子，具有層次分明、復(fù)雜有序的多尺度分級結(jié)構(gòu)。木材單個細(xì)胞由薄的初生壁、厚的次生壁和細(xì)胞腔組成，細(xì)胞腔大而空。其中次生壁又呈多尺度分級結(jié)構(gòu)特點：次生壁是由次生壁外層（S1，厚約為0.5 μm）、次生壁中層（S2，厚約為5 μm）和次生壁內(nèi)層（S3，厚約為0.1 μm）組成。在光學(xué)顯微鏡下，細(xì)胞壁僅能見到寬0.4～1.0μm的絲狀結(jié)構(gòu)，稱為粗纖絲。如果將粗纖絲再細(xì)分下去，在電子顯微鏡下觀察到的細(xì)胞壁線形結(jié)構(gòu)，則稱為微纖絲。木材細(xì)胞壁中微纖絲的寬度為10～30 nm，微纖絲之間存在著約為10 nm的空隙，木質(zhì)素及半纖維素等物質(zhì)聚集于此空隙中。其斷面約有40根纖維素分子鏈組成的最小絲狀結(jié)構(gòu)單元，稱為基本纖絲。如果把纖維素分子鏈的斷面看成圓截面，則可以推算其直徑約為0.6 nm。木材細(xì)胞壁的組織結(jié)構(gòu)是以纖維素作為骨架的。它的基本組成是一些長短不等的鏈狀纖維素分子，這些纖維素分子鏈平行排列，有規(guī)則地聚集在一起成為微團(tuán)（即基本纖絲）；由微團(tuán)組成一種纖絲狀的微團(tuán)系統(tǒng)即微纖絲；由微纖絲組成纖絲；纖絲再聚集成粗纖絲；粗纖絲相互結(jié)合形成薄層；許多薄層再聚集成細(xì)胞壁。次生壁微纖絲的排列不像初生壁那樣無定向，而是整齊地排列成一定方向。各層微纖絲都形成螺旋取向，但是斜度不同。在S1層，微纖絲有4～6個薄層，一般為細(xì)胞壁厚度的10%～22%，微纖絲呈“S”、“Z”形交叉纏繞的螺旋線狀，并與細(xì)胞長軸成50°～70°。S2層是次生壁中最厚的一層，在早材管胞的胞壁中，其微纖絲薄層數(shù)為30～40層，而晚材管胞可達(dá)150個薄層或以上，一般為細(xì)胞壁厚度的70%～90%；S2層微纖絲排列與細(xì)胞長軸成10°～30°，甚至幾乎平行。在S3層，微纖絲有0～6個薄層，一般為細(xì)胞壁厚度的2%～8%，微纖絲的排列近似S1層，與細(xì)胞長軸成60°～90°，呈比較規(guī)則的環(huán)狀排列。

因此，木材在大自然中形成的精妙細(xì)胞結(jié)構(gòu)及其層次分明、排列復(fù)雜有序的多級多尺度結(jié)構(gòu)，為木材仿生高性能化材料和制備特殊的多級多尺度結(jié)構(gòu)新型材料奠定了堅實良好的基礎(chǔ)。

4.2 木材的分級多孔結(jié)構(gòu)

木材除擁有精妙的多尺度分級結(jié)構(gòu)外，還具有天然形成的精細(xì)分級多孔結(jié)構(gòu)。闊葉材中管孔形狀多種多樣，呈現(xiàn)出不規(guī)則的圓形、橢圓形和多邊形。在孔徑尺寸上從粗到細(xì)變化范圍很寬，明顯呈現(xiàn)出分級特征，且孔徑較大的管道和孔徑較小的管道形成相間分布結(jié)構(gòu)。針葉材的孔徑尺寸則比較均勻，分布較為規(guī)則。木材形態(tài)各異的管孔形狀、尺寸和分布特征，為設(shè)計和制備各種分級多孔材料提供了廣闊的選材空間。趙廣杰[27]按尺度大小把木材中的空隙劃分為宏觀空隙、微觀空隙和介觀空隙。宏觀空隙是指用肉眼能夠看到的空隙，以樹脂道、細(xì)胞腔為下限空隙，不同樹種細(xì)胞大小不同，其寬度為50～1 500 μm，長度從0.1～10 mm不等。微觀空隙則是以分子鏈斷面數(shù)量級為最大起點的空隙，如纖維素分子鏈的斷面數(shù)量級的空隙。介觀空隙是指三維、兩維或一維尺度在納米量級(1～100 nm)的空隙，也可稱為納米空隙。

形態(tài)各異的木材的分級多孔結(jié)構(gòu)為仿生制備新型材料提供了無需加工修飾處理的天然模板，為木材仿生高性能、高附加值功能材料的研究開發(fā)提供了無限空間。多級多孔材料在分離提純、選擇性吸附、催化劑裝載、光電器件和傳感器研制等許多功能領(lǐng)域有重要的研究和應(yīng)用價值。木材多級多孔特點使得木材本身即可收容其他納米材料，可使木材實現(xiàn)木材功能化、納米化、智能化的追求。

4.3 木材的智能性調(diào)濕調(diào)溫功能

木材自身的生物結(jié)構(gòu)和組成物質(zhì)賦予其某些具有智能性調(diào)節(jié)作用的性質(zhì)。木質(zhì)住宅在暑夏時具有隔熱性，在寒冬時具有保溫性。木質(zhì)墻壁可以緩和外部氣溫變化所引起的室內(nèi)溫度變化。因此，木質(zhì)住宅具備緩解夏季炎熱或冬季寒冷的性能，即“冬暖夏涼”。由于木材組分中含有大量的親水性基團(tuán)，又具有極大的比表面積，使木材具有吸濕與解吸性質(zhì)。當(dāng)空氣中的水蒸氣壓力大于木材表面水蒸氣壓力時，木材從空氣中吸收水分，稱為吸濕；反之，則有一部分水分自木材表面向空氣中釋放，稱為解吸。木材吸濕性的變化取決于木材的構(gòu)造學(xué)特性、木材的化學(xué)組成及其所在環(huán)境的濕度與溫度。在通常情況下，如果室內(nèi)的木材用量較多，當(dāng)室內(nèi)溫度提高時，由于木材可以解吸放出水分，室內(nèi)濕度幾乎保持不變；反之，當(dāng)溫度降低時，室內(nèi)濕度將相應(yīng)增大，此時木材可以吸收水分，從而仍可保持室內(nèi)的濕度穩(wěn)定。

4.4 木材的智能性生物調(diào)節(jié)功能

木材是一種具有生態(tài)學(xué)屬性的生物質(zhì)，與人的生命活動息息相關(guān)，形成了“木材—人類—環(huán)境”的關(guān)系。自古以來，適于人類居住的木質(zhì)環(huán)境比較適合人們的生理和心理需要。其內(nèi)在的奧秘在于木材的視感與人的心理生理學(xué)反應(yīng)遵循并符合1/f漲落的潛在規(guī)則[28]。自然界存在的事物漲落現(xiàn)象，其能譜密度與頻率（f）成比例關(guān)系，被稱為1/f漲落。具有1/f漲落特征的物體可視后使人感到舒適。木材具有天然生長形成的生物結(jié)構(gòu)、紋理和花紋，還有獨特的光澤和顏色，給人們帶來視覺上的自然感、親切感和舒適感。因此，木質(zhì)結(jié)構(gòu)的房屋、木質(zhì)家具和木質(zhì)材料的內(nèi)裝，無一不得到人們的喜愛。其原因是映入人們眼簾的木材（木質(zhì)材料）具有的1/f漲落與人體中的生物節(jié)律（節(jié)奏）之漲落一致時，人們就產(chǎn)生平靜、愉快的心情而有舒適之感。

4.5 木材的智能性調(diào)磁功能

木材具有調(diào)節(jié)“磁氣”和減少輻射的智能性功能。盡人皆知，地球是一塊大磁石。人類和地球上的全部生物體生活在地球磁場之中，地球提供給人類在地球表面生活所必需的適度的安定性磁力(“磁氣”)。動物的感覺器官很敏銳，尤其對微小的磁場變化也有所感知，這正表明其具有與磁力作用不可分離的關(guān)系，而磁力感覺是人類生活環(huán)境所必需的?？臻g中的鋼筋混凝土或鐵金屬材料和器具會將地球磁力變?nèi)趸蚱帘?，易引起生物體各種生物機(jī)能的紊亂或使生物體出現(xiàn)異常行為。相反，在木質(zhì)環(huán)境中，因為木材不能屏蔽地球磁力作用，所以生物體可以保持正常、安定的生活節(jié)奏。一些研究者已通過對小白鼠的實驗對這種影響和作用進(jìn)行證實。木材對人體不足的“磁氣”又具有自然補(bǔ)充的機(jī)能，因此可以促進(jìn)自律神經(jīng)活動，適宜的“磁氣”對減少高血壓、風(fēng)濕癥、腎病等多種疾病的發(fā)生有一定影響。因此，木結(jié)構(gòu)住宅和室內(nèi)木材設(shè)置較多的微環(huán)境空間有利于人居健康。

4.6 木材是天然的氣凝膠結(jié)構(gòu)體[29]

首先，木材是天然生長形成的多孔性有限膨脹膠體，是一種天然高分子凝膠材料。依據(jù)細(xì)胞壁微觀形態(tài)學(xué)，Wardrop等認(rèn)為細(xì)胞壁由基質(zhì)物質(zhì)、構(gòu)架物質(zhì)和結(jié)殼物質(zhì)3類基本構(gòu)造物質(zhì)組成?？伤苄缘幕|(zhì)形成后立即被纖維素纖絲增強(qiáng)；在后期階段木質(zhì)素形成結(jié)殼。按照細(xì)胞壁個體發(fā)育劃分為3個階段：a.基質(zhì)形成階段；b.凝膠被纖絲增強(qiáng)的階段；c.結(jié)殼作用階段。木材的基質(zhì)可認(rèn)為是一種親水的凝膠體，主要包括半纖維素和果膠。在最初階段，細(xì)胞壁呈極端可塑性并表現(xiàn)如高度蒙古滯的流體一樣，具有較高的膨脹度和塑性變形，在基質(zhì)形成以后，可塑性的基質(zhì)立即被纖維素纖絲增強(qiáng)，因而彈性被賦予該系統(tǒng)。Frey-Wysslir等認(rèn)為幼嫩細(xì)胞壁的最初階段代表著一種各向同性、沒有任何雙折射的凝膠組成，此種各向同性物質(zhì)稱為細(xì)胞壁的基質(zhì)。基質(zhì)、纖絲和覆層有不同的膠態(tài)性質(zhì)?；|(zhì)是一種所謂的干凝膠，即一種在干燥時硬化并變成半透明的凝膠。構(gòu)成基質(zhì)的碳水化合物(果膠、半纖維素等)通過化學(xué)提取或酶催化消化，將纖絲游離成氣凝膠，易于接近空氣的超微結(jié)構(gòu)空間，由于光的折射，致使氣凝膠呈白色。這與相關(guān)學(xué)科氣凝膠和干凝膠的原理是一致的。木材細(xì)胞壁具備凝膠材料的基本條件和特征。

其次，從木材的組成和結(jié)構(gòu)上看，木材細(xì)胞壁中約50%是纖維素，半纖維素、果膠等占木材質(zhì)量的25%以上。纖維素除結(jié)晶區(qū)與無定形區(qū)以外，還包含許多空隙，形成空隙系統(tǒng)，空隙的大小一般為1～10 nm，最大可達(dá)100 nm，滿足作為氣凝膠網(wǎng)絡(luò)納米結(jié)構(gòu)的基本條件。這與氣凝膠材料的結(jié)構(gòu)原理是一致的。此外，一些木材的物理特性具備氣凝膠材料的性質(zhì)。

總之，木材源于自然，擁有大自然賜予的精妙的多尺度分級結(jié)構(gòu)，天然形成的精細(xì)分級多孔結(jié)構(gòu)和調(diào)濕、調(diào)溫、生物調(diào)節(jié)、調(diào)磁等多種智能性功能。木材的這些自然屬性為木材仿生科學(xué)奠定了堅實的理論基礎(chǔ)，為仿生構(gòu)筑高性能木質(zhì)新材料提供了廣闊的發(fā)展空間。將木材科學(xué)與現(xiàn)代仿生學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、信息學(xué)、能源學(xué)及納米科學(xué)等學(xué)科互相交叉融合，有效利用木材天然的獨特結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性能，由木材宏觀復(fù)合向微觀復(fù)合發(fā)展，由木材結(jié)構(gòu)特征復(fù)合向功能-結(jié)構(gòu)一體化發(fā)展，由木材一元體系向二元甚至多元復(fù)合體系擴(kuò)展，由木材單一傳統(tǒng)利用向復(fù)合化、智能化、環(huán)境化和能動化的研究開發(fā)利用發(fā)展，進(jìn)一步研究木材的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和性能，進(jìn)而抽象并設(shè)計出木材仿生材料模型，徹底揭開木材內(nèi)幕，是木材科學(xué)當(dāng)前的一個關(guān)鍵性課題。木材仿生科學(xué)的提出無疑會給傳統(tǒng)木材科學(xué)增添新的內(nèi)涵，同時也會給木材科學(xué)帶來重要進(jìn)步，具有里程碑式的意義，將極大地延伸木材科學(xué)的內(nèi)涵，使得木材從更高層次上為人類服務(wù)。

5 木材仿生功能材料構(gòu)建研究

5.1 木材仿生構(gòu)筑超疏水表面

木材作為一種可再生的、多功能的天然資源環(huán)境材料，廣泛應(yīng)用于人類生活的方方面面，如木質(zhì)建筑、室內(nèi)外家具、樂器材和裝飾材料等，但木材也存在著吸水膨脹導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性不佳、易被細(xì)菌侵蝕、易被有機(jī)物污染等缺陷。由于這些木材固有缺陷的存在，在實際應(yīng)用中較大程度地限制了木材的使用范圍和領(lǐng)域。在木材表面仿生構(gòu)建超疏水表面后，將木材由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，實現(xiàn)了相反物性的轉(zhuǎn)換，使得木材不再吸收外界水分，可有效緩解木材變形開裂、霉變、腐朽、降解。目前，在木材表面仿生構(gòu)建超疏水表面的方法主要有溶膠-凝膠法、水熱法、氣相沉積法、自組裝法、浸漬法、低溫等離子體法、液相沉積法等。吳義強(qiáng)等[30]對當(dāng)前木材表面仿生構(gòu)建超疏水膜層進(jìn)行了較為系統(tǒng)的綜述，在此不再贅述。李堅課題組[31～33]采用低溫水熱共溶劑法在木材表面構(gòu)建了仿生超疏水表面并實現(xiàn)了智能性光控親疏轉(zhuǎn)換。仿生荷葉滴水不沾特性在木材表面構(gòu)筑超疏水自清潔表面將極大拓展木材的使用范圍和領(lǐng)域。但目前對木材仿生超疏水表面的結(jié)構(gòu)尚缺乏系統(tǒng)的研究數(shù)據(jù)，仿生超疏水表面的動力學(xué)尚未引起關(guān)注，同時現(xiàn)有木材表面仿生超疏水表面一般尚處于實驗室研究階段，需要精密的實驗設(shè)備和昂貴的化學(xué)物質(zhì)，距離規(guī)?；a(chǎn)還有很長的路要走。

5.2 木材仿生構(gòu)筑異質(zhì)復(fù)合材料

據(jù)記載，我國每年所需的70%的天然橡膠和40%以上的合成橡膠需進(jìn)口，而我國廢舊輪胎等物質(zhì)的循環(huán)利用率僅為20%左右，廢而不用的廢舊輪胎、膠管、膠帶、膠鞋等造成了嚴(yán)重的“黑色污染”。木質(zhì)基-橡膠復(fù)合材料能夠以小徑木、間伐材和加工剩余物與廢舊橡膠為原料，通過選擇適宜的膠粘劑和熱壓工藝參數(shù)能夠制造出木材刨花（木材纖維）-廢舊橡膠復(fù)合材料，其性能指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。制備這種新型復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)是要通過大量實驗確定木材與橡膠的配比及其熱壓成板時的最佳熱壓工藝參數(shù)。這種復(fù)合材料具有良好的防水、防腐、防靜電、隔音、隔熱和阻尼減震等性能，用途寬泛。

5.3 木材仿生構(gòu)筑分級多孔氧化物

分級多孔材料在分離提純、選擇性吸附、催化劑裝載、光電器件和傳感器研制等多個領(lǐng)域具有重要的研究和應(yīng)用價值。上海交通大學(xué)張荻課題組[34～37]以木材為模板，遺傳其形態(tài)和結(jié)構(gòu)，合成制備木材結(jié)構(gòu)分級多孔Fe2O3、ZnO和NiO材料，獲得了20～100 μm和0.1～1 μm的分級大孔分布，氧化物內(nèi)有10～50 nm的介孔分布。其中，制備的杉木結(jié)構(gòu)ZnO具有最高的分形維數(shù)，并且孔隙率最高，具有良好的網(wǎng)絡(luò)連通性；分級多孔Fe2O3具有優(yōu)于常規(guī)Fe2O3的氣敏性能；分級多孔ZnO對H2S具有非常優(yōu)異的氣體選擇性。李堅課題組[38]利用楊木木材作為模板制備了具有良好光催化活性的TiO2。首先使用溶膠-凝膠法將TiO2溶膠負(fù)載于木材表面，通過高溫煅燒的方法除掉木材模板即可制備大塊的多孔木材結(jié)構(gòu)的新型光催化劑TiO2，該光催化劑具有良好的光催化性能和沉降性能。Cao等[39～41]以白松為模板制備得到多孔Al2O3、ZrO2、TiO2陶瓷。利用木材獨特的多層級、多孔結(jié)構(gòu)制備的多孔氧化物材料具有低密度、高比強(qiáng)度、高比表面積、高滲透性、耐高溫、抗熱沖擊強(qiáng)和膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能。此外，木材原料來源廣且可再生，制造成本低且可實現(xiàn)復(fù)雜形狀的原位成形。這些使具有木材結(jié)構(gòu)的多孔材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

5.4 木材仿生構(gòu)筑木陶瓷

以低質(zhì)材料、廢舊木材等木質(zhì)材料為原料，先經(jīng)過預(yù)切削加工成一定形狀，然后用酚醛樹脂浸漬，隔氧高溫?zé)Y(jié)，最后再進(jìn)行磨削加工制得產(chǎn)品。這種材料具有多孔結(jié)構(gòu)、強(qiáng)重比高、耐磨、耐腐、耐熱和吸附性能好等諸多特點，可作為房屋保溫和取暖、吸附、抗摩擦及電磁屏蔽材料等。Greil等[42]用液相浸滲反應(yīng)法制備了SiC基多孔陶瓷；張荻課題組[43～45]仿生木材生態(tài)遺傳結(jié)構(gòu)制備了一系列的氧化物陶瓷，制備的材料在電、磁、光學(xué)、催化等方面有著極大的應(yīng)用潛力。東北林業(yè)大學(xué)李淑君等[46～48]采用酚醛樹脂浸漬木質(zhì)材料，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)制得木陶瓷產(chǎn)品，并對產(chǎn)品得率、性能、影響因素、微觀結(jié)構(gòu)以及燒結(jié)過程中的化學(xué)變化等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并探討了阻燃處理提高產(chǎn)品性能的可能性。木材仿生構(gòu)筑木陶瓷在加工過程中應(yīng)注意的技術(shù)問題有：a.在制造過程中要避免木材的變形和開裂；b.高溫?zé)Y(jié)時應(yīng)避免試件的氧化燒失，須采用氮氣保護(hù)；c.產(chǎn)品性能與樹脂浸漬量、燒結(jié)溫度和升溫速率關(guān)系密切，因此采用均勻設(shè)計法優(yōu)化得出相適宜的工藝參數(shù)。

5.5 木材仿生構(gòu)建木材-無機(jī)納米復(fù)合材料

21世紀(jì)木材功能性改良將面臨巨大的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)，制備新型多功能化的木質(zhì)基材料將是木材科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢。木材功能性改良不但要合理利用木材，注重木材基本性質(zhì)的改善，還要以高新科技為先導(dǎo)，賦予木材諸如超疏水、抗紫外、阻燃等新的功能[49～50]。選擇具有不同特性的有機(jī)質(zhì)調(diào)控的納米粒子仿生制備形成的木材-無機(jī)納米復(fù)合材料會產(chǎn)生許多新的、奇特的性能。譬如，在木材與納米CaCO3復(fù)合時，利用不同的有機(jī)質(zhì)控制可得到具有疏水、疏油、超疏水（油）的系列功能性材料；通過溶膠-凝膠法制成的SiO2、TiO2的木材-無機(jī)納米復(fù)合材料具有良好的力學(xué)強(qiáng)度、阻燃性和尺寸穩(wěn)定性[51～56]；在自然界中，如柚木等名貴木材，由于無機(jī)礦物質(zhì)以納米粒子的形式滲入木材基體中進(jìn)行生物礦化和生理生化作用，形成了天然的木材-無機(jī)納米復(fù)合材料，使這類木材在樹木生長過程中形成了美麗的材色和肌理以及堅硬的材質(zhì)和較高的耐久性。木材作為天然有機(jī)高分子材料與無機(jī)納米材料復(fù)合形成的木質(zhì)基無機(jī)納米復(fù)合材料，不僅具有納米材料的顆粒體積效應(yīng)和表面效應(yīng)等性質(zhì)，而且將無機(jī)物的剛性、尺寸穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性與木材的韌性、加工性、介電性及獨特的環(huán)境學(xué)特性融為一體，從而產(chǎn)生許多特異的性質(zhì)。

5.6 木材仿生構(gòu)筑氣凝膠材料

氣凝膠是一種用氣體代替凝膠中的液體而本質(zhì)上不改變凝膠本身的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或體積的特殊凝膠，是水凝膠或有機(jī)凝膠干燥后的產(chǎn)物，被稱為固體煙霧，具有高孔隙率、高比表面積、低熱傳導(dǎo)系數(shù)、低介電常數(shù)、低光折射率和低聲速等獨特的性能。這些獨特的性質(zhì)不僅使得該材料在基礎(chǔ)研究中引起人們的興趣，而且被廣泛地用于組織工程、控釋系統(tǒng)、血液凈化、傳感器、農(nóng)業(yè)、水凈化、色譜分析、超級高效隔熱隔聲材料、生物醫(yī)藥、高效可充電電池、超級電容器、催化劑及載體、氣體過濾材料和化妝品等領(lǐng)域。Berglund等[57]用植物纖維素制備出纖維素氣凝膠，并仿照木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)特性，將木葡聚糖與纖維素復(fù)合，利用超臨界CO2干燥法組裝纖維素-葡聚糖復(fù)合氣凝膠，其力學(xué)強(qiáng)度顯著提高。李堅課題組[58，59]利用離子液體和冷凍干燥的方法直接從木粉制得了木質(zhì)纖維素氣凝膠，通過循環(huán)凍融工藝可實現(xiàn)氣凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)、密度及比表面積的調(diào)控；邱堅等[60，61]通過超臨界干燥技術(shù)結(jié)合溶膠-凝膠法制備新型木材/SiO2氣凝膠復(fù)合材料，從制備工藝學(xué)原理、SiO2氣凝膠在木材中的分布與界面狀態(tài)、性能評價以及木材與SiO2氣凝膠復(fù)合的機(jī)理等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。張俐娜等[62，63]以堿/尿素為溶劑，制備得到具有很高機(jī)械性能的纖維素氣凝膠。木材仿生構(gòu)建氣凝膠是向自然學(xué)習(xí)的一個重要方面，體現(xiàn)了“師法自然”的科學(xué)思想，為發(fā)展和構(gòu)建高值化木質(zhì)纖維素氣凝膠材料提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

6 木材仿生科學(xué)展望

木材仿生科學(xué)期望通過模仿具有特殊功能的自然界生物體的結(jié)構(gòu)，充分利用自身獨特的天然結(jié)構(gòu)與屬性，將其與納米技術(shù)、分子生物學(xué)、界面化學(xué)、物理模型等相結(jié)合，從仿生學(xué)的角度出發(fā)，以自然界給予的各種現(xiàn)象為啟發(fā)，制備具有特殊表面潤濕性、電磁屏蔽效應(yīng)、高機(jī)械強(qiáng)度的仿生高性能木質(zhì)基新型材料；引入對熱、pH、光或電等刺激有響應(yīng)的智能元素，通過合理設(shè)計材料的組成及結(jié)構(gòu)，制備木質(zhì)基智能響應(yīng)材料；發(fā)展木材表面仿生多尺度表面微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，探討材料多尺度微結(jié)構(gòu)對異質(zhì)材料結(jié)合性能的調(diào)控機(jī)理，制備具有不同物質(zhì)組成或多尺度微觀結(jié)構(gòu)的木質(zhì)基新型復(fù)合材料；基于多尺度界面的仿生結(jié)構(gòu)原理、調(diào)控界面分子、納米及微米多尺度上的多重協(xié)同作用，構(gòu)筑木質(zhì)基新型微納結(jié)構(gòu)仿生智能材料。木材仿生科學(xué)將更深入地延伸木材科學(xué)的內(nèi)涵，使得科研工作者從更深層次上通過認(rèn)知、模擬與調(diào)控3個步驟揭開木材內(nèi)幕，同時也為木材科學(xué)和其他學(xué)科間的交叉融合架起一座橋梁，實現(xiàn)“他山之石，可以攻玉”。

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Inspirations from nature——Preliminary discussion of wood bionics

Li Jian，Sun Qingfeng
(College of Material Science and Engineering Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

Inherently intelligent behaviors and uniquely natural attributes of some organisms in nature were specifically listed in this paper.Inspired by nature，the theoretical foundation for constructing wood bionics was preliminarily stated.Under the guidance of biology and current technology，wood will be endowed with some untraditional properties and newly innovated wood-based materials will possess a much larger developing space.

wood；bionics；superhydrophobicity；aerogel；intelligence；interface

S781；TB332

A

1009-1742(2014)04-0004-09

2014-01-20

國家自然科學(xué)基金面上項目（31270590）

李 堅，1943年出生，男，遼寧阜新市人，中國工程院院士，研究方向為木材功能性改良及生物質(zhì)基復(fù)合材料；E-mail：nefulijian@163.com