北京林业大学曹金珍等团队AM!!通过分子压缩解耦木材改性中的密度-强度-韧性关系

木材作为天然的分层复合材料，在可持续材料科学中具有重要地位。然而，木材改性领域长期存在一个根本性的矛盾：如何在提升强度和韧性的同时不增加材料重量。数十年来，化学浸渍、聚合物渗透和热改性等传统方法都遵循着可预测的结构-性能关系，即强度提升往往以密度增加和韧性下降为代价。例如，酚醛树脂改性木材密度增加15%，强度仅提升3%，韧性却降低43%；糠醇改性木材强度提升25%，但增重率达70%，冲击韧性下降57%。近年来，虽出现纳米纤维素基复合材料等新方法，但这些工艺通常需要深度脱木质素和重构，从根本上改变了木材的天然结构。碳量子点作为一类超小碳纳米颗粒，在水相中表现出优异的分散性和丰富的表面官能团，但在木质纤维素基体中的应用受限于分散性差和界面结合弱的问题。本研究提出“分子压缩”策略，旨在通过纳米尺度调控打破传统木材改性的性能悖论。

在这项研究中，研究人员开发了一种基于离子碳量子点（ICQDs）的木材改性策略，在仅0.25%的极低添加量下，实现了杨木强度提升62%、韧性提升30%，同时整体密度降低0.4%。该策略通过真空-压力浸渍将ICQDs引入木材细胞壁，利用其表面丰富的羟基、羧基以及氟、硼元素功能基团与木材组分形成多重相互作用。机制研究表明，ICQDs通过两种协同机制发挥作用：一是与纤维素和半纤维素形成氢键网络，同时与木质素发生π-π堆叠；二是作为成核剂促进聚合物链重组和结晶。多尺度结构表征证实，ICQDs处理使纤维素结晶度从32.3%提升至38.2%，微纤维取向度从0.82提高到0.87，微纤维间距从3.07纳米减小至2.78纳米，导致细胞壁变薄但堆积更致密。原子力显微镜压痕测试显示细胞壁模量从约10 GPa提升至20 GPa。密度泛函理论计算验证了ICQDs与木材组分之间存在强界面相互作用，氟/硼功能基团具有协同增效作用。此外，改性木材表现出优异的抗真菌和抗紫外线性能，对白腐菌和黑曲霉的抑制率达100%，480小时加速老化后力学性能保持率显著高于天然木材。

该研究建立的分子压缩策略代表了木材增强从传统加性范式向结构优化范式的转变，通过纳米尺度调控同时打破了强度-密度和强度-韧性的传统权衡关系。0.25%的ICQDs浓度即可实现轻质、高强、高韧的综合性能提升，使比强度和比模量分别提高37%和60%，性能媲美合金钢等工程材料。该方法工艺简单、添加剂用量极低，与标准浸渍工艺兼容，具备规模化生产潜力。改性木材在乐器、汽车零部件、航空航天等领域具有应用前景，10%的减重可带来7%的节能效果。研究证实ICQDs通过氢键网络实现高效应力传递，通过动态可逆的牺牲键机制耗散能量，从而抑制裂纹扩展。同时，该策略赋予木材抗菌和抗紫外线功能，提升了耐久性。尽管存在成本效益、规模化可行性和长期性能等局限，且不同木材物种可能需要参数优化，但分子压缩机制在骨组织工程、植物基复合材料等生物基材料设计中具有普适性潜力。这项研究为下一代可持续轻质结构材料的开发提供了新思路。