“分子压实”技术，同步提升木材强度与韧性
长期以来，木材改性领域面临一个核心矛盾：提升材料强度往往伴随着密度增加和韧性下降。传统方法，如酚醛树脂浸渍或糠醇处理，虽能增强硬度，却导致材料变重变脆，限制了其在高端轻量化结构材料中的应用。如何打破密度、强度与韧性之间的“铁三角”耦合关系，成为可持续材料科学领域的一项紧迫挑战。
近日，北京林业大学曹金珍教授课题组提出一种名为“分子压实”的创新策略。该策略利用极低浓度（0.25%）的离子碳量子点（ICQDs）对木材进行改性，成功实现了强度提升62%、韧性提升30%，同时总体密度略微降低0.4%的卓越效果。这一技术不仅打破了传统性能耦合，还为制造轻质、高强、高韧的生物基复合材料开辟了新路径。相关论文以“Decoupling Density–Strength–Toughness in Wood Modification via Molecular Compaction”为题，发表在Advanced Materials上。
图1：分子压实机制及其对木材性能的影响示意图。 (a) 示意图展示了从天然木材（NW）到离子碳量子点处理木材（ICQDs-W）的多尺度结构演变。ICQDs的引入引发了“分子压实”，其特征是通过与纤维素等的氢键作用，提高了结晶度和取向度，使微纤维排列更紧密，从而导致细胞壁变薄和细胞腔变大。 (b) 这种结构优化带来了卓越的力学性能组合，克服了其他方法中常见的强度提升以密度增加和韧性下降为代价的权衡问题。 (c) 因此，ICQDs-W的比强度超越了传统木材，并可媲美高性能材料。 (d) 这些增强的性能使得这种轻质、高强、高韧的复合材料成为先进应用领域（如乐器、汽车部件和航空航天工程）中有前景的可持续材料。
研究团队通过简便的一锅法微波辅助合成技术，制备出尺寸均匀、表面富含功能基团的离子碳量子点。表征结果显示，这些纳米粒子平均直径约2.95纳米，具有石墨碳晶格结构，其表面的羟基、羧基以及含氟、含硼基团，是后续与木材成分发生相互作用的关键（图2）。
图2：ICQDs的合成与表征。 (a) 一锅法微波合成过程示意图，将前驱体溶液转化为稳定的ICQDs水溶液。 (b-d) 形态表征证实了单分散、准球形纳米粒子的形成。透射电子显微镜显示平均粒径为2.95±0.16纳米（b）；高分辨TEM显示清晰的晶格条纹，面间距0.12纳米，对应于石墨碳的（020）晶面（c）。原子力显微镜证实其纳米尺度尺寸，高度低于5.4纳米（d）。 (e) ICQDs的光学性质，显示特征紫外-可见吸收峰和在365纳米紫外光照射下的亮蓝色光致发光（插图）。 (f-i) 阐明表面化学的光谱分析。傅里叶变换红外光谱（f）证实了丰富的含氧官能团以及含氟、含硼部分的存在。高分辨X射线光电子能谱的C 1s (g), F 1s (h), 和 B 1s (i) 谱进一步详述了纳米粒子表面的共价键和半离子键。 (j) 单个ICQD的示意图模型，概括了其石墨核和多功能的表面化学。
当这些ICQDs通过浸渍工艺进入木材后，并未简单填充细胞腔，而是精准地渗透到细胞壁内部。扫描电镜图像清晰显示，处理后木材的细胞壁变薄，细胞腔反而扩大，这与传统改性导致细胞壁膨胀的现象截然不同（图3a, b）。元素分布图与荧光显微成像证实，ICQDs特异性地定位于细胞壁区域，与木材的主要组分（碳、氧）空间分布高度重合（图3c, d），为后续的分子级改造奠定了基础。
深入的结构分析揭示了“分子压实”的微观机制。红外光谱中羟基峰的显著红移，证实了ICQDs与纤维素、半纤维素之间形成了广泛的氢键网络（图3e）。X射线衍射与散射技术进一步表明，ICQDs的引入如同“晶核”，促进了纤维素链的重排与结晶，使结晶度从32.3%提升至38.2%，同时微纤维排列更加有序、间距缩小（图3f, g）。原子力显微镜纳米压痕测试显示，细胞壁本身的模量近乎翻倍，从约10 GPa增至20 GPa（图3h），这从微观力学层面直接印证了“分子压实”的增强效果。理论计算也强有力地支持了这些观测，表明ICQDs与木材组分间存在强相互作用，特别是氟、硼官能团的协同作用至关重要（图3i）。
图3：ICQDs在木材细胞壁中诱导“分子压实”的多尺度证据。 (a,b) 比较天然木材（NW, a）和0.25% ICQDs处理木材（ICQDs-W, b）横截面形态的扫描电子显微镜图像，显示处理后细胞壁变薄和细胞腔扩大。 (c,d) ICQDs渗透进入细胞壁的证实。能量色散X射线光谱 mapping (c) 显示了ICQDs特征元素（B, F）与细胞壁结构（C, O）的共定位。共聚焦激光扫描显微镜 (d) 利用ICQDs的固有荧光，可视化其在细胞壁内的专属分布。 (e,f) 显示结构变化的光谱和散射分析。FTIR光谱 (e) 显示-OH伸缩带红移，表明氢键网络的形成。X射线衍射图谱 (f) 证明ICQDs-W中纤维素结晶度增加。 (g) 广角和小角X射线散射图谱，证实了微纤维取向度的增加和更紧密的纤维堆积。 (h) 原子力显微镜图像及相应的压痕模量分布，显示ICQDs-W中细胞壁模量近乎翻倍。 (i) 密度泛函理论计算提供理论验证。展示了CQDs（ICQDs, FCQDs, BCQDs和OCQDs）与纤维素体系间的静电势图。
这种纳米尺度的结构重组，直接带来了宏观力学性能的飞跃。在最优浓度下，改性木材的弯曲、拉伸和压缩强度均显著提升（图4a, b）。尤为引人注目的是，其弹性模量大幅提升的同时，材料密度却略有下降，成功打破了“强度增加必伴随增重”的传统定律（图4c）。这使得改性木材的比强度和比模量分别提升了37%和60%，其性能堪比部分合金钢材（图4d, f）。除了强度，材料的韧性也获得同步改善。冲击韧性提升约30%，动态力学分析显示其能量耗散能力更强（图5a-c）。断裂形貌观察发现，改性木材的断裂路径更加曲折复杂，并伴随大量纤维拔出现象，这些都是高效能量吸收的特征（图5d-f）。研究者将韧性的提升归因于ICQDs与纤维素之间形成的动态氢键网络，这些键可在受力时可逆地断裂与重组，如同“牺牲键”般耗散能量（图5g）。落锤冲击实验及有限元模拟进一步证明，改性木材能有效抑制裂纹扩展，将损伤局部化，展现出优异的抗冲击性能（图5h-j）。
图4：强度及密度与强度的解耦。 (a) 不同ICQDs浓度木材样品的弯曲应力-形变曲线，显示在0.25%浓度时性能最优。 (b) 拉伸强度和压缩强度随ICQDs浓度的变化。 (c) ICQDs处理对弹性模量和密度的反直觉效应，在最优浓度下MOE增加而密度降低。 (d) 由此产生的比模量和比强度，突出了轻量化性能的改善。 (e) ICQDs-W与各种传统木材改性策略的MOE和密度比较，展示了本方法的独特优势。 (f) ICQDs-W的比强度与常见工程材料（包括各种铝合金、钢合金、奥氏体合金和钛合金）的基准对比。 (g) 提出的增强机制示意图，ICQDs通过氢键和π-π堆积形成高效的应力传递网络，防止应力集中。 (h, i) ICQDs-W在高性能应用（如乐器(h)和轻质汽车部件(i)）中潜力的示意图。
图5：韧性和缓冲性能的增强。 (a,b) 宏观韧性测量，显示在最优0.25% ICQDs浓度下，冲击韧性提升约30% (a)，拉伸测试的断裂功达到峰值 (b)。 (c) 动态力学分析得到的损耗因子，表明ICQDs-W在宽温度范围内比NW具有更优的能量耗散能力。 (d-f) 多尺度断裂形貌分析。宏观尺度上，ICQDs-W表现出更曲折的断裂路径，如数码相机图像(d)和3D轮廓仪图像(e)所示。微观尺度上，SEM图像(f)显示了广泛的纤维拔出和塑性变形，这是有效能量吸收的标志。 (g) 示意图说明提出的增韧机制，ICQDs与纤维素之间的动态氢键网络作为“牺牲键”来耗散能量并抑制裂纹扩展。 (h,i) 落锤冲击测试。示意图(h)显示实验装置。冲击后图像(i)展示了ICQDs-W卓越的损伤限制能力，其在增加的冲击能量下抵抗灾难性破坏。
此外，该改性木材还展现出卓越的耐久性。对白腐菌和黑霉菌的测试表明，ICQDs处理能有效抑制真菌滋生（图6a, b）。经过480小时的加速老化实验后，与未处理木材相比，ICQDs改性木材颜色变化更小，表面疏水性保持更好，拉伸强度保留率也显著更高（图6c-e），显示出强大的抗紫外老化能力。
图6：ICQDs处理木材的耐久性。 (a) 木材样品对彩绒革盖菌（白腐菌）和黑曲霉（霉菌）4周后的抗真菌性能。浓度≥0.25%的ICQDs处理能有效抑制真菌定植。 (b) SEM显微图揭示微观尺度的抗真菌机制。与在天然木材上观察到的丰富健壮菌丝相比，ICQDs-W上的真菌菌丝稀少且显得干瘪，证实了对真菌生长的有效抑制。 (c-e) 480小时加速老化测试后的性能。与NW相比，ICQDs-W表现出更优的颜色稳定性（总色差ΔE更低）(c)、更好的表面疏水性保持（通过接触角测量）(d)、以及显著更高的拉伸强度保留率(e)。
这项研究提出的“分子压实”策略，超越了传统的依靠添加大量填充物或整体致密化的增强范式，通过纳米尺度的精准干预，实现了木材细胞壁本身的结构优化与性能飞跃。它不仅为开发下一代轻质高强可持续结构材料提供了全新的设计思路，其原理也有望延伸至其他生物基复合材料、骨组织工程及仿生材料设计等领域，展现出广阔的应用前景。
