“木頭大王”一周連發(fā)兩篇頂刊，蜂巢芯3D成型木板登Science封面，電解質(zhì)導(dǎo)電率顯著提升，三年內(nèi)部分產(chǎn)品有望量產(chǎn)

“木頭大王”美國馬里蘭大學(xué)帕克分校材料科學(xué)與工程系教授胡良兵團(tuán)隊(duì)一周之內(nèi)連發(fā)兩篇重大研究成果，一篇發(fā)表在 Nature 上，另一篇發(fā)表在最新一期 Science 封面，該事件被眾多業(yè)界人士關(guān)注。

通常來講，將科研成果發(fā)表在一種國際核心期刊并之上并不容易，幾乎同時在兩大國際核心期刊發(fā)表更加不易，那么胡良兵團(tuán)隊(duì)究竟是如何做到的呢？其取得傲人成績背后的核心秘訣又是什么？

冰凍三尺非一日之寒，首先要將功夫用在平時，其次是合理的時間規(guī)劃及高效地分工協(xié)作。

胡良兵表示：“其實(shí)我們這個工作已經(jīng)做了兩到三年了，恰巧這兩個研究成果在同一周內(nèi)發(fā)表，我覺得選哪個科研方向做研究非常重要，還有作為導(dǎo)師能否很好地調(diào)動學(xué)生做科研的積極主動性尤為關(guān)鍵，給學(xué)生一個明確的方向，將工作任務(wù)合理的分配下去，科研的效率就會得到很大的提升?！?br />

在未來，尤其是高端木材方向具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ搱F(tuán)隊(duì)對木頭的材料的研究具有濃厚的興趣，他們之前做了多種不同圖案的透明木板，甚至還專門做了一張?zhí)珮O圖案的木板。

1 月 27 日，相關(guān)論文以《太陽能輔助制造的大型可圖案化透明木材》（Solar-assisted fabrication of large-scale, patternable transparent wood）為題發(fā)表在 Science Advances 上，由美國馬里蘭大學(xué)帕克分校材料科學(xué)與工程系博士夏芹芹、博士后陳朝吉擔(dān)任共同第一作者，胡良兵擔(dān)任通訊作者[1]。

胡良兵課題組于 2018 年發(fā)明了超級木頭（超強(qiáng)、超韌、超硬），首次提出了 2 步法制作超級木頭理論。2018 年 2 月，相關(guān)論文以《將散裝天然木材加工成高性能的結(jié)構(gòu)材料》（Processing bulk natural wood into a high-performance structural material）為題發(fā)表 Nature 上[2]，國際專利在 2018 申請，今年被授權(quán)。

2018 年后學(xué)術(shù)領(lǐng)域有很多跟進(jìn)的報告，前不久的“木頭刀”就是超級木頭的一個應(yīng)用案例，李騰老師也是胡良兵長期的合作者。

而本次研究成果更加有趣，該團(tuán)隊(duì)利用細(xì)胞壁工程對材質(zhì)較硬的木板進(jìn)行處理，制備出一種機(jī)械性能兼塑性良好的多功能三維（3D）結(jié)構(gòu)木板。由此產(chǎn)生的 3D 成型木板，其強(qiáng)度可達(dá)原始木材的 6 倍，性能有望和鋁合金類似的金屬材料相媲美。

10 月 22 日，相關(guān)論文以《輕質(zhì)、堅(jiān)固、可塑性木材通過細(xì)胞壁工程可作為持續(xù)的結(jié)構(gòu)材料》（Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material）為題發(fā)表在新一期Science 封面，由美國馬里蘭大學(xué)帕克分校材料科學(xué)與工程系教授胡良兵擔(dān)任通訊作者[3]。


該研究成果解決了傳統(tǒng) “自下而上” 研究木材成型方面和用途方面的弊端，在保證木材機(jī)械強(qiáng)度和韌性的同時，降低了單木板的使用成本。

蜂巢芯 3D 成型木板性能提高 6 倍

其實(shí)，人們你在木材成型方面已經(jīng)做了很多年的探索，也取得了不同的程度進(jìn)展，木頭可以被雕刻成美觀而復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，比如氣勢恢宏的紫禁城中很多屋檐都是有木塊雕琢而成的。


然而，這些物理方法不會改變木材本身的微觀結(jié)構(gòu)或材料性能，這較大地限制了木材在先進(jìn)工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

這些年，也有其他分解及再加工木材的研究方法。當(dāng)木材被去纖化成具有極高機(jī)械強(qiáng)度的纖維素納米纖維時，可用高含水量的漿液加工成 3D 結(jié)構(gòu)，通過聚合物的添加來改善其性能，這不僅降低了木材作為可持續(xù)材料的優(yōu)勢，也增加了制備成本，無法達(dá)到預(yù)期效果。

胡良兵表示：“我們對天然木材進(jìn)行脫木素和軟化，將木材中大部分木質(zhì)素和半纖維素去除，然后通過‘水沖’的方法將木頭風(fēng)干。再放入水中，木材里邊的大孔洞發(fā)生膨脹，小的孔洞來不及膨脹，當(dāng)我們把木頭從水中拿出時，整個木頭的密度就會增加，可以達(dá)到很好的機(jī)械性能?！?br />

木材密度增加后，每個孔之間的接觸就會變好，由于它們之間具有很強(qiáng)的氫鍵，木材的性能就會大幅提高，其性能可以提高6倍，甚至能夠與鋁合金的性能相媲美。

另外，經(jīng)過處理后的 3D 成型木材還有良好的塑性，木材中存在的這種發(fā)皺的孔洞，就像一張起皺的 “皮”，受拉力時可以伸展，這種“皺”的結(jié)構(gòu)起到延展作用，從而增加了木材的柔韌性。

有望替代鋁合金，可拓寬木材在高端器械領(lǐng)域的應(yīng)用

該研究成果最大的亮點(diǎn)在于首次制備出一種機(jī)械性能良好的 3D 成型木材，基于這種性能可以做成各種形狀的產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)木材無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。


如此，塑料和金屬的某些特有的應(yīng)用，3D 成型木材也可以做到。譬如，金屬材質(zhì)的桌子要想收起來，直接將一條桌腿折起來即可，該團(tuán)隊(duì)所做的木材也可實(shí)現(xiàn)，在之前是無法想象的，很大程度上拓寬了木材在高端器械方面的應(yīng)用。

從全球可持續(xù)發(fā)展的角度來講，人們對大氣環(huán)境的清潔度的要求越來越高，金屬在生產(chǎn)的過程不可避免地會排放大量的二氧化碳，而木材則有利于吸收二氧化碳，木材所具備的獨(dú)特優(yōu)勢，對“碳達(dá)峰”和“碳中和”有很大的促進(jìn)作用，其應(yīng)用在未來將變得更加重要。

胡良兵表示：“我們在木頭方面已經(jīng)做了7年了， 我成立的公司 Inventwood 希望未來兩三年之間有一些具體的商業(yè)化產(chǎn)品落地。”

當(dāng)胡良兵談及在科研方面的感想時，他直言“課題方向”的選擇尤為重要，很多時候會發(fā)現(xiàn)自己感興趣的方向別人都已經(jīng)在做了，甚至有學(xué)生幽默地調(diào)侃“自己出生的太晚了”，從理性的角度分析，人類各方面在變好的同時也面臨更多的挑戰(zhàn)，如某些特殊領(lǐng)域的“技術(shù)”難題。

胡良兵團(tuán)隊(duì)另一項(xiàng)研究成果則與當(dāng)下熱點(diǎn)話題 “固態(tài)電池” 有關(guān)。

改變纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池超快鋰離子傳輸

全球汽車保有量市場規(guī)模不斷增大，加之特斯拉等新型電動汽車的普及，人們對汽車的續(xù)航能力要求越好越高。

人們對全固態(tài)電池的前景十分看好，一方面在高能量密度方面有很大的提升空間，另一方面希望提高電池安全性。

全固態(tài)電池可以解決人這兩方面的訴求，并且在安全性方面也有顯著提高。全固態(tài)電池與傳統(tǒng)電池本質(zhì)的區(qū)別是 “電解質(zhì)” 不同，而聚合物電解質(zhì)更值得關(guān)注。

胡良兵團(tuán)隊(duì)闡述了一種利用分子通道工程實(shí)現(xiàn)高性能 “固體聚合物 ”離子導(dǎo)體的一般方法。銅離子 和納米纖維發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠使鋰離子沿聚合物鏈快速傳輸。

10 月 20 日，相關(guān)論文以《銅配位纖維素離子導(dǎo)體用于固態(tài)電池》（Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries）為題發(fā)表在 Nature 上，由布朗大學(xué)工程學(xué)院教授齊月、美國馬里蘭大學(xué)教授胡良兵擔(dān)任共同通訊作者[4]。


胡良兵表示：“我們所用的纖維素納米纖維（CNFs）能夠溶解鋰離子并協(xié)助其運(yùn)輸，但是纖維素分子鏈中間的空間比較窄，鋰離子不太容易通過。我們第一次實(shí)現(xiàn)了通過銅離子把纖維素的化學(xué)鍵打開，這種情況下可以塞很多的鋰離子進(jìn)去，就可以提高鋰離子的數(shù)量和傳播速度。

舉一個較為形象的例子，在一個可以站很多的人的橋上，每個鍵之間有合適的距離，就像雙杠一樣，它們之間的距離過大或過小都不適合往前跑。當(dāng)這個距離剛好合適的時候，跑得也快，到達(dá)的人很多、人流也很大。”

該團(tuán)隊(duì)嵌入 Li+ 的 Li-Cu-CN F離子電導(dǎo)率比其他聚合物電解質(zhì)高 10-1000 倍，對推動安全、高性能固態(tài)電池的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的意義。

胡良兵表示：“我們現(xiàn)在引入了一個基于木頭原料做的高性能全固態(tài)的電解質(zhì)，它是全固態(tài)電解質(zhì)中的新型“成員”，這是我們引以為豪的事?！?br />
在該領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)之一是電池的安全性問題，像目前一些新能源電動車，經(jīng)常會發(fā)生電池自燃或爆炸的問題，怎么把電解質(zhì)與很多電子材料較好地匹配較為關(guān)鍵，需要通過電化學(xué)，包括對界面、穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

目前該團(tuán)隊(duì)也做了一些電池性能提高的工作，但電池快充和快放電之間按的轉(zhuǎn)化，基于新型電解質(zhì)、高能量密度對整個電池的設(shè)計還有待進(jìn)一步探索。此外，還面臨著如何量產(chǎn)的問題。

以終為始，選好科研方向至關(guān)重要

從事科學(xué)研究二十余年，胡良兵有一套專屬自己的“內(nèi)功心法”，首先科研方向的選擇很重要，如果選擇一個不重要的課題或在已有的方向微改進(jìn)一下，即便獲得階段性的進(jìn)展，意義也不是很大。

其次，要尊重科研本身及數(shù)據(jù)，在科研困難面前要勇于堅(jiān)持，同時也要相信自己的 “直覺”，當(dāng)一個研究成果實(shí)在做不出來時要及時止損，停一段時間返回來再做或許有新的收獲。

關(guān)于 “木頭大王” 這個頭銜，胡良兵這樣評價自己?！笆紫群荛_心大家這樣稱呼，我比較幸運(yùn)被大家所關(guān)注到，基于我的物理研究背景，有更多的機(jī)會與懂木頭方面的專家合作，將我在物理中所學(xué)到的納米技術(shù)結(jié)合起來，做了一些新鮮的東西。

與頭銜相比，我所做的研究成果能被大家認(rèn)可，并推動商業(yè)化落地更具成就感。”

木頭通過納米高端化，這個方向剛剛興起，該領(lǐng)域太需要像胡良兵一樣背景的科學(xué)家加入。胡良兵團(tuán)隊(duì)在商業(yè)化方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，最后也給有商業(yè)化想法或正在商業(yè)化的科學(xué)家一點(diǎn)個人建議：

一是要以終為始，立足亟待解決的人類命題，選擇研究方向；二是科學(xué)家要尊守商業(yè)經(jīng)營法則，將科學(xué)研究與商業(yè)化量產(chǎn)等企業(yè)經(jīng)營高效協(xié)同，涉及尖端技術(shù)做好專利保護(hù)。