“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”美國馬里蘭大學帕克分校材料科學與工程系教授胡良兵團隊一周之內(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，那么胡良兵團隊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)動學生做科研的積極主動性尤為關(guān)鍵，給學生一個明確的方向，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。”


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隊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，由美國馬里蘭大學帕克分校材料科學與工程系博士夏芹芹、博士后陳朝吉擔任共同第一作者，胡良兵擔任通訊作者[1]。

胡良兵課題組于 2018 年發(fā)明了超級木頭（超強、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 年后學術(shù)領(lǐng)域有很多跟進的報告，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，該團隊利用細胞壁工程對材質(zhì)較硬的木板進行處理，制備出一種機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，其強度可達原始木材的 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)、堅固、可塑性木材通過細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，由美國馬里蘭大學帕克分校材料科學與工程系教授胡良兵擔任通訊作者[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，在保證木材機械強度和韌性的同時，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，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工程領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

這些年，也有其他分解及再加工木材的研究方法。當木材被去纖化成具有極高機械強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，無法達到預(yù)期效果。

胡良兵表示：“我們對天然木材進行脫木素和軟化，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，可以達到很好的機械性能?！?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在于首次制備出一種機械性能良好的 3D 成型木材，基于這種性能可以做成各種形狀的產(chǎn)品，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)木材無法實現(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，該團隊所做的木材也可實現(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，木材所具備的獨特優(yōu)勢，對“碳達峰”和“碳中和”有很大的促進作用，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?！?br />
當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。

胡良兵團隊另一項研究成果則與當下熱點話題 “固態(tài)電池” 有關(guān)。

改變纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，實現(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。

胡良兵團隊闡述了一種利用分子通道工程實現(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，由布朗大學工程學院教授齊月、美國馬里蘭大學教授胡良兵擔任共同通訊作者[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。我們第一次實現(xiàn)了通過銅離子把纖維素的化學鍵打開，這種情況下可以塞很多的鋰離子進去，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。當這個距離剛好合適的時候，跑得也快，到達的人很多、人流也很大?！?br />
該團隊嵌入 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。”

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，包括對界面、穩(wěn)定性進行研究。

目前該團隊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一下，即便獲得階段性的進展，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持，同時也要相信自己的 “直覺”，當一個研究成果實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。“首先很開心大家這樣稱呼，我比較幸運被大家所關(guān)注到，基于我的物理研究背景，有更多的機會與懂木頭方面的專家合作，將我在物理中所學到的納米技術(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可，并推動商業(yè)化落地更具成就感?！?br />
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家加入。胡良兵團隊在商業(yè)化方面積累了一定的經(jīng)驗，最后也給有商業(yè)化想法或正在商業(yè)化的科學家一點個人建議：

一是要以終為始，立足亟待解決的人類命題，選擇研究方向；二是科學家要尊守商業(yè)經(jīng)營法則，將科學研究與商業(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。