本文由浙江农林大学孙庆丰&李莹莹团队受邀撰写！

一、研究背景：

超材料是一类人工构建的新兴材料，具有高弹性、高强度、低密度等超常力学性能，并在机械超材料、热超材料、声超材料、光学超材料等多个领域大有可为。而大自然已经掌握了制造高强度和轻质分层功能化材料的技术，这些材料可以从进化过程中的细胞微结构中衍生出来。其中，纳米工程木材是一种具有天然木材三维微观和纳米结构的可再生结构材料，具有轻质、机械强度高、生态友好、隔热和低碳足迹等诸多优点。因此，模仿自然界出现的纳米纤维结构的分层微结构，在环境条件下利用其基本构成单元之间不同的分子相互作用来设计和合成轻质人造纳米纤维超材料的应用是非常理想的。然而，大多数纳米纤维素气凝胶缺乏足够的机械强度，而纳米木材则需要在机械强度和隔热性能之间进行权衡。这使其面临着许多挑战，包括对木材层次结构中分子尺度的微调、构件之间的细胞结构耦合以及快速和大规模生产的能力。

二、文章简介：

近日，浙农林大孙庆丰、李莹莹提出一种“机械/热力学多稳态性轻质纳米木材衍生产品”，即木质超材料，它具有超高的强重比（207.7 MPa cm³ g^-1）。这种材料主要利用原本存在于细胞壁中的纤维素纳米纤维的自愈合行为及其与微尺度机械约束的结合，形成了定向多孔框架（孔隙率≥98%），并在预先设计的宏观架构中封装了空纤维腔，大大提高其各向异性因子（达到4）。这种木质超材料克服了现有建筑材料和先进航空航天隔热材料在机械/热力学方面的缺陷，在彻底改变建筑和制造业方面具有巨大潜力，特别是作为一种轻质、环保、可扩展、节能和经济高效的材料。相关成果发表在Advanced Functional Materials上。文章第一作者是杨玉山博士。

图1. 木质超材料的多尺度设计。a-e，木材解构及转化以及木材纳米解离与重组构建各向异性木质超材料的结构示意图；f，木质超材料的机械性能。

三、研究内容：

图2. 材料微观形貌表征。a-e，巴沙木、纳米木材以及木质超材料的数码照片以及SEM图像；f-h，巴沙木、纳米木材以及木质超材料的氮气脱吸曲线以及孔隙分布。

图3. 木质超材料的纳米孔隙分布与改性效果评价。a-e，巴沙木、纳米木材以及木质超材料的Micro-CT重构；f-j，巴沙木、纳米木材以及木质超材料的二维SAXS图和相应的方位角曲线以及对应的取向因子；k-o，巴沙木、纳米木材以及木质超材料的NMR成像以及对应的T2曲线。

图4. 木质超材料的各向异性。a，巴沙木、纳米木材以及木质超材料的压缩应力应变曲线；b，巴沙木、纳米木材以及木质超材料的应力保持率；c，巴沙木、纳米木材以及木质超材料的机械强度；d，木质超材料的单轴准静态压缩性能；e，木质超材料的抗疲劳测试；f，木质超材料的负泊松比；g，木质超材料的力学各向异性；h，木质超材料的热学各向异性；i，巴沙木、纳米木材以及木质超材料的各向异性因子；j，木质超材料的超刚性和弹性行为；k-l，木质超材料的温度不变超刚性和弹性行为。

图5. 木质超材料的分子模拟与有限元分析。a，各向异性木质超材料的分层结构以及相应的建模模拟策略，包括密度泛函理论（DFT，分子尺度）、分子动力学（MD，纤维尺度）、有限元模型（FEM，微/介尺度）和位移场的二维数字图像关联（DIC，宏观尺度）；b，从宏观（左）到纳米（右）的特性示意图；c，木质超材料的分子动力学模拟；d，木质超材料的抗压率和相应的归一化尺寸；e，木质超材料的有限元模拟；f，木质超材料有限元模拟的载荷曲线；g，木质超材料的位移场二维数字图像结果；h，木质超材料的弹性与刚性行为。

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