当我们想到木材时，首先想到的可能是家具。在一些国家，比如美国，小房子通常仍然是用木材建造的。但是世界各地的科学家和建筑师都在重新思考这种材料，改进它的性能，扩大它的应用范围，希望开发出一种环保的替代品，以取代我们今天使用的高性能，但能源密集型的工程材料。
木材的结构
我们都熟悉木材，但它到底是什么呢?嗯，一个简单的定义是说木材是树干的材料。不是所有的植物都长着木质树干;我们把这样的树叫做树，它们制造这种坚固的棕色物质，将营养物质从根部输送到树梢，并支撑树木的结构，抵御天气的影响。
木头有一个细胞结构:如果你在显微镜下观察它，你会看到一束纤维沿着树干伸展，还有其他类型的细胞在其他方向伸展。三种主要成分构成了木材的结构:纤维素、木质素和半纤维素。纤维素是一种由糖分子组成的化学物质，它能使纤维具有很强的张力。这些纤维就像链条，这意味着如果你拉它们，它们会抵抗，但如果你试图压扁它们，它们就会皱褶。这对树木来说是个非常坏的消息，所以为了防止这种情况，树木用木质素来加固木材，木质素是一种结构混乱的坚硬聚合物，可以防止纤维素链在自身重量下崩溃。木质素也是木头呈现棕色的原因。最后，为了将两者粘在一起，还需要半纤维素，它赋予木材柔韧性。
像山毛榉和橡树这样的落叶树会产生我们所说的硬木，而像云杉和松树这样的针叶树则会产生软木。这两种树木已经分别进化了数亿年，所以它们的树木结构非常不同，硬木要复杂得多。然而，让人困惑的是，并不是所有的硬木都是硬的，也不是所有的软木都是软的:轻杉木是一种非常软的木材，用来制作飞机模型，从技术上讲，它是一种硬木，而你经常在墓地里看到的紫杉树，虽然是一种非常硬的木材，但却被归类为软木。
虽然它看起来很结实，但至少有一半的树是由空气构成的。由于光合作用，树木将大气中的二氧化碳转化为糖分，从而成为木材。一棵树生长一公斤木材需要吸收1.6公斤的二氧化碳。这就是为什么每个人都把树木作为对抗气候变化的主要解决方案之一。
用木材建造的高楼
今天，世界上的小房子仍然是用木头建造的，但是为了建造我们在城市里看到的摩天大楼或高层建筑，工程师们使用了钢铁和混凝土。这些材料构成了我们现代文明的基础，但它们的生产需要大量的能源，并导致大量的碳排放，从而导致全球变暖。这就是为什么建筑师和工程师正在尝试开发新型木材来建造高层建筑。
一种特殊的材料被称为交叉层压木材(CLT)，由相互垂直的方向粘合在一起的木板组成，以提供均匀和高强度。这种木材和其他工程木材材料被用于建造伦敦的黑白建筑，该建筑将于2022年完工，成为整个首都最高的木材办公楼。CLT是坚固的，它是安全的防火，如果保持良好，它不会腐烂，使建筑持续至少60年。此外，用木材建造房屋要简单和安全得多，因为这些结构是在工厂里预先建造好的，然后运到建筑工地。根据设计黑与白大楼的Waugh Thistleton建筑事务所的说法，这也使得建筑速度更快。木材的声学性能也比钢铁和混凝土好得多，所以你不需要使用额外的材料来让房间里的人感到舒适。
在建筑物中封存碳
巴斯大学的研究人员威尔·霍金斯表示，木材建筑的一个优点是碳足迹要低得多。钢铁和混凝土必须在非常高的温度下生产，这需要能源。此外，制造这些材料时所发生的化学过程会导致无法避免的碳排放。相反，将树干转化为木板的过程需要的能量要少得多，而且未来可能会电气化，从而节省额外的能源。
但木材最好的一面是它来自树木，而树木在生长的过程中会吸收大气中的二氧化碳，有助于对抗气候变化。将这些碳储存在建筑物中是一个好主意，因为它们是寿命最长的人造物体。然而，我们应该小心地设计尽可能高效的建筑，因为树木对森林的生物多样性也很重要。此外，不断增长的人口对种植粮食或生物质的土地需求很高，因此我们不能把太多的土地用于种植木材树木。必须平衡所有这些需要，以实现可持续的长期解决办法。
超级木和透明木
科学家和工程师也在对木材进行改性，以改善或改变其性能。马里兰大学的一个研究小组最近成功地制造了透明木材，他们去掉了木质素，用一种光学透明的树脂代替了它。这种透明的木质材料比玻璃具有更好的热性能，生产起来更便宜，更环保。
李腾是同一所大学的研究员，他还成功地将木材压缩并致密，制成了一种强度与钛一样，硬度与不锈钢一样的材料。这包括两个步骤:首先，从木材中去除木质素的化学过程，然后是压实木材的压制过程。利用这项技术，研究人员制作了一把可以切开牛排的木刀!
木基纳米材料
最有用的木材成分是纤维素，科学家们正在寻找从木材中提取纤维素的方法，以制造具有非常特殊性能的材料。剑桥大学化学系的研究员Silvia Vignolini在纳米尺度上利用纤维素的特性来制造可用于化妆品的彩色、可生物降解的颜料。
纤维素有一个有序的晶体结构，它以非常特殊的方式与光相互作用:它使光线弯曲，所以我们看到了蓝色、绿色和红色等颜色。通过控制含有纤维素纳米晶体的溶液的化学性质，研究人员可以调整纤维素的颜色。这有可能取代行业中数百种化妆品的塑料成分，从而形成一种可持续的、可生物降解的解决方案。
总的来说，我们才刚刚开始触及木材解决21世纪最紧迫挑战的巨大潜力的表面。通过以新的方式看待这种旧材料，我们可以看到大自然是如何为我们提供最好的解决方案之一，以恢复与环境的和谐。
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