如今，自下而上的方法是一種使用纖維素納米纖維等各種納米材料作為構(gòu)建基塊的制造策略。但是，該方法存在步驟多且復雜、制造效率低、成本較高等問題。此外，其制備的大多數(shù)材料的機械性能不能滿足實際需求。其實，各向異性結(jié)構(gòu)在生物材料中無處不在。例如，木材在沿縱向方向上具有大量通道，用于水、營養(yǎng)物等的運輸。然而，天然木材的結(jié)構(gòu)通常是剛性且不可壓縮的，不能滿足反復加載-卸載應用所需的持久可壓縮的力學性能。眾所周知，肌肉是驅(qū)動動物身體運動的核心驅(qū)動系統(tǒng)。肌節(jié)具有液晶各向異性結(jié)構(gòu)，提供了沿肌肉纖維方向的高機械強度和優(yōu)良的抗疲勞性。因此，制造具有各向異性結(jié)構(gòu)、持久可壓縮性和離子傳導功能的類似肌肉肌節(jié)材料仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。
近日，美國馬里蘭大學的胡良兵教授和李騰教授（共同通訊作者）等人聯(lián)合報道了一種簡便且可擴展的自上而下方法，利用該方法可直接從天然木材中制造出具有可調(diào)離子電導率、彈性可壓縮的各向異性纖維素材料（彈性木材）。通過化學處理和在冷凍干燥過程中的冰模板后，在單個木材通道內(nèi)形成相互連接的纖維素納米纖絲網(wǎng)絡(luò)。
具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)和水合互連的纖維素納米纖維網(wǎng)絡(luò)的彈性木材可以承受較大的壓縮（厚度降低多達70％），并且在反復壓縮（達10,000次）后，可恢復其原有形狀而不造成明顯的結(jié)構(gòu)損傷。
此外，水可以從木質(zhì)細胞壁向相互連接的纖維素納米纖維網(wǎng)絡(luò)以通道（壓縮）和反向（釋放壓力）的方式自由、可逆地流動，是結(jié)構(gòu)快速（幾秒內(nèi)）恢復的驅(qū)動力。這種結(jié)構(gòu)的可調(diào)性還能夠調(diào)節(jié)流體和離子，使彈性木材具有多種潛在應用的功能。
形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化
在化學處理后，天然木材結(jié)構(gòu)保持不變但細胞壁更薄。
同時，通道內(nèi)部形成的相互連接的纖維素原纖維網(wǎng)絡(luò)。
需注意，互連網(wǎng)絡(luò)中的這些纖維素原纖維在化學處理前是細胞壁的一部分。當水合時（吸收一定量的水），相互連接的纖維素原纖維網(wǎng)絡(luò)成為細胞腔內(nèi)的內(nèi)部凝膠，以維持彈性木材的彈性。
將彈性木材形成球形，在扔到地面上，迅速反彈且高度超過2米，表明具有出色的彈性變形能力。
值得注意，彈性木材可以按比例放大制備，如尺寸約為30 cm×10 cm×5 cm的彈性木塊。
探究形成機理
作者使用沸騰NaOH/Na2SO3混合溶液進行化學處理，從細胞壁中除去部分木質(zhì)素和半纖維素，形成分離的纖維素原纖維。在冰模板作用下，其在通道內(nèi)原位形成相互連接的網(wǎng)絡(luò)，從而形成蜂窩狀相互連接的結(jié)構(gòu)。
傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）光譜顯示，在1736 cm-1和1235 cm-1處的峰強度顯著降低，表明半纖維素被部分除去。經(jīng)過化學處理后，纖維素的含量從39.5％降至37.5％，略有下降，而半纖維素和木質(zhì)素的相對含量分別從16％降至11.3％和從26％降至19.4％。
研究發(fā)現(xiàn)，對彈性木材壓縮，在釋放壓力后迅速恢復。但是，天然木材在相同的壓力釋放后幾乎無法恢復其形狀。作者進行多次壓縮實驗測量作為壓縮應變（ε）函數(shù)的壓縮應力（σ），以定量的評估彈性木材的機械性能。在最大施加的壓縮應變?yōu)?0％-70％，顯示了兩個不同區(qū)域：
1）當ε<30％時，處于線性階段；
2）當ε> 30％時，σ急劇增加的非線性階段。需注意，線性和非線性階段間不存在平穩(wěn)階段。
彈性木材從70％的壓縮應變中釋放后，幾乎可以完全恢復其原始形狀。干燥的天然木材的σ-ε圖顯示了短線性階段（0-5％）、長穩(wěn)定狀態(tài)（5％-50％）和短非線性狀態(tài)（50％-60％），加載時塑性變形達到44％，表明可壓縮性較差。在吸收足夠的水分后，處于濕態(tài)的天然木材顯示出與干燥的天然木材相似的σ-ε圖，但厚度和能量損失系數(shù)較低。實驗結(jié)果表明，蜂窩狀互連微結(jié)構(gòu)、殘留的聚合物基質(zhì)和水在實現(xiàn)優(yōu)異的可壓縮性以及快速且高度可逆的恢復中具有重要作用。
利用建模來探究性能
作者使用ReaxFF電位進行完整的模擬，以揭示保留水對釋放壓力后纖維素原纖維網(wǎng)絡(luò)形狀恢復的影響。模型考慮了兩種不同情況：
（1）沒有滯留的水和
（2）在纖維素分子鏈間的空間中保留了水（60 wt％）。
在沒有殘留水時，纖維素原纖維網(wǎng)絡(luò)在釋放壓縮后僅略微恢復其厚度。在保留水在纖維素原纖維網(wǎng)絡(luò)中，水分子會限制相鄰纖維素分子鏈之間形成的氫鍵數(shù)量，釋放壓力后水分子進一步將纖維素分子鏈推回到其原始相對間距，從而顯著增強形狀恢復。
此外，由于多孔壁的較薄，它們?nèi)菀讖澢皂憫獕嚎s，使得整個天然木結(jié)構(gòu)的軟化。結(jié)果嚴重的變形導致細胞壁的永久性損壞，而永久性損壞在釋放壓縮載荷后無法恢復。但彈性木材在無壓力時，可以很好地恢復原狀。
小結(jié)
綜上所述，作者展示了一種自上而下的策略，通過化學處理和冷凍干燥將天然木材改造成可伸縮的高彈性纖維素材料（彈性木材）。
該彈性木材在承受達70％的壓縮應變后，塑性變形和較小的能量損失系數(shù)可忽略。在壓縮應變約為40％下，進行10,000次循環(huán)后，仍具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
利用建模和非原位實驗結(jié)果表明，這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及通道壁之間的水在細胞壁和互連網(wǎng)絡(luò)之間的自由運動使彈性木材能夠快速且可逆地恢復形狀?？傊疚拈_發(fā)的彈性木材可以作為納米流體系統(tǒng)、傳感器、人機界面等有效的仿生支架。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04298
