天然木材的獨特取向孔道結構賦予其輕質高強的特點，有關仿木頭結構的研究是國際上仿生材料研究領域的熱點之一。然而，傳統的仿木頭結構材料是“徒有其型”，以往研究實現取向孔道結構的模仿，但其力學性能遠不能令人滿意。例如，目前開發的陶瓷基仿木頭結構材料，密度高、強度低、缺陷多，且製備過程需要高溫燒結（通常>1500℃）。因此，如何製備真正具有輕質高強特點的仿木材結構材料是仿生材料研究領域面臨的挑戰。
近日，中國科學技術大學教授俞書宏帶領的科研團隊，發展了一種冰晶誘導自組裝和熱固化相結合的新技術，以傳統的酚醛樹脂和密胺樹脂為基體材料，研製出一系列具有類似天然木材取向孔道結構的新型仿生人工木材。該系列仿生人工木材具有輕質高強、耐腐蝕和隔熱防火等優點。8月10日，相關研究成果以Bioinspired polymeric woods為題，發表在《科學進展》上，Science雜誌科學新聞以This synthetic wood is as strong as the real thing—and won’t catch fire為題，對該成果進行報道。論文的共同第一作者為博士後於志龍和碩士生楊寧。
研究人員研製的一系列樹脂基仿生人工木材，具有類似天然木材的取向孔道結構，並且壁厚和孔尺寸具有很好的可調控性（圖1）。這種方法可以複合多種納米材料以製備多功能複合人工木材，而且簡單高效，容易放大生產。這種取向孔道結構的人工木材具有突出的機械性能，壓縮屈服強度優於已開發的多種仿木結構的陶瓷材料，且與天然木材性能相當（圖2）。
與天然木材相比，仿生人工木材最大的優勢在於其耐腐蝕性、隔熱和防火性能。研究中，由於選用熱固樹脂材料作為基體材料，所製備的仿生人工木材具有很好的防水、耐酸腐蝕的特點，在水和硫酸溶液中浸泡30天，其力學強度均沒有衰減。得益於其取向孔道結構和孔壁中複合的納米材料，與石墨烯複合的人工木材具有很好的徑向（垂直於孔道方向）隔熱效果，最低熱導率可達20.8 mW/mK（毫瓦每米每開爾文）。考慮到人工木材的高比強度（壓縮強度/密度），這種人工木材比其他工程材料和氣凝膠材料具有更好的實用性。
易燃性是天然木材在實際應用中面臨的最大問題，而防火阻燃則是人工木材最大的優點，通過複合不同的納米材料可以進一步提高其防火隔熱性能。這種人工木材具有很好的防火性能，在火焰引燃後能夠迅速自熄滅，這正是天然木材無法克服的缺點（圖3）。
作為新型的仿生工程材料，其多功能性優於傳統的工程材料，這類人工木材有望代替天然木材，實現在苛刻或極端條件下的應用。此外，這種合成方法為製備和加工一系列高性能仿生工程材料提供了新思路，其功能的可設計性等優點將有助於拓寬該方法和製備的材料在多種技術領域中的應用。
研究工作受到了國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、國家重大科學研究計劃、中科院前沿科學重點研究項目、中科院納米科學卓越創新中心、蘇州納米科技協同創新中心、合肥大科學中心卓越用戶基金的資助。
圖1.人工木頭的製備過程示意圖。（A）樹脂聚合物的混合溶液；（B）取向冷凍和乾燥後具有取向孔道結構的聚合物幹膠；（C）固化後的樹脂基仿生木材；（D）酚醛樹脂基（上）和密胺樹脂基（下）仿生木材實物照片
圖2.仿生人工木材的照片、結構和力學性能。（A）酚醛樹脂基人工木材與微觀結構；（B）密胺樹脂基人工木材與微觀結構；（C）人工木材的力學性能與其他工程材料對比圖。
圖3.人工木材的防火性能和巴爾杉木的易燃性對比。（a）CMF人工木材；（b）CPF人工木材；（c）CPF/GO複合木材；（d）巴爾杉木。
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