近年來，材料科學家不斷從大自然中找尋靈感，仿造生物體的結構來合成高效能的新材料。中國科學家就從木材得到靈感，研發出一種比木材強韌，且具有防火和防水特性的人造材料。這種人造仿生木材未來有望取代天然木材，並應用於工程領域。
仿生木材
天然木材雖然很輕，卻具有非常高的強度，這主要是來自木材內部的特殊結構。其獨特的分層細胞結構及由木質素（lignin）、半纖維素（hemicellulose）形成的網絡，再加上方向一致的纖維素絲，使得木材具有無與倫比的強度。另外，由於材料取得容易，成本較低，材料學家紛紛模仿木材內部結構，來創造出高強度材料。
不過，木材雖然擁有高強度，卻不耐水也不耐火。另外，傳統上作為仿生木材基材的陶瓷材料不具有高強度又易碎，且熱處理溫度極高，通常要燒到攝氏 1500 度以上才能燒結成一體。
為了解決這個問題，合肥中國科學技術大學（University of Science and Technology of China）的研究團隊使用一種特殊材料來合成仿生木材。他們在一種水溶性高分子樹脂（resin）溶液中加入一些甲殼素（chitosan）。當樹脂溶液冷凍乾燥後，就會生成一個具有微孔及孔洞通道的結構。甲殼素的胺基與樹脂間具有強烈反應，可以避免結構變形，能幫助孔洞通道的支撐。接著，研究團隊將樹脂加熱到攝氏 200 度進行熱處理，讓結構之間產生強力化學鍵結，以合成人造木材。
防水又防火
中國科學技術大學化學系教授俞書宏博士表示，這種仿生木材有兩種強化機制。首先是通過快速的冷凍乾燥，使材料內部產生更小的孔洞通道，以強化該材料。其次，較高溫的退火溫度也增強了樹脂間的鍵結，進而增加材料的強度。
另外，由於使用了水溶性的樹脂，因此可以根據材料所需的性質，在樹脂溶液中添加水溶性的金屬離子或奈米材料，不僅製備方法簡單，也能彈性調整材料特性。例如，可加入人造或自然纖維使其更耐壓。此外，這種新材料不像天然木材一樣，不需要花費多年生長，就能大量製備，且對環境友善。
研究人員還測試了這種新材料的抗水及抗腐蝕力。研究人員將合成材料浸泡於水與硫酸溶液中 30 天，但材料的強度幾乎沒有弱化，反而是作為對照組的輕木樹（balsa）樣本，在類似的實驗條件下強度減弱了三分之二，同時抗壓性少了 40%。這是因為這種新材料的本體樹脂就具有抗腐蝕能力，且因表面不具親水性，所以能夠防水及抗酸蝕。
這種新材料具有低密度及高孔洞率（porosity），因此比天然木材更具有良好的防火性。研究人員認為這些孔洞及通道，讓熱輻射只會在孔洞方向傳導而不會往材料方向傳播，因此能作為良好火源絕緣體。此外，即使將該材料放置於火源內，只要將材料移離火源，馬上就會停止燃燒。基於上述這些優點，研究團隊認為這種仿生木材具有替代天然木材於工程用途的潛力。
參考資料：
- Perkins, S., (2018, November). Scientists Create Artificial Wood That Is Water- and Fire-Resistant. Scientific American
- Yu, Z.-L. et al., (2018). Bioinspired polymeric woods. Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.aat7223