“木头大王”一周连发两篇顶刊，蜂巢芯3D成型木板登Science封面，电解质导电率显著提升，三年内部分产品有望量产

“木头大王”美国马里兰大学帕克分校材料科学与工程系教授胡良兵团队一周之内连发两篇重大研究成果，一篇发表在 Nature 上，另一篇发表在最新一期 Science 封面，该事件被众多业界人士关注。

通常来讲，将科研成果发表在一种国际核心期刊并之上并不容易，几乎同时在两大国际核心期刊发表更加不易，那么胡良兵团队究竟是如何做到的呢？其取得傲人成绩背后的核心秘诀又是什么？

冰冻三尺非一日之寒，首先要将功夫用在平时，其次是合理的时间规划及高效地分工协作。

胡良兵表示：“其实我们这个工作已经做了两到三年了，恰巧这两个研究成果在同一周内发表，我觉得选哪个科研方向做研究非常重要，还有作为导师能否很好地调动学生做科研的积极主动性尤为关键，给学生一个明确的方向，将工作任务合理的分配下去，科研的效率就会得到很大的提升。”


在未来，尤其是高端木材方向具有很大的发展潜力，该团队对木头的材料的研究具有浓厚的兴趣，他们之前做了多种不同图案的透明木板，甚至还专门做了一张太极图案的木板。

1 月 27 日，相关论文以《太阳能辅助制造的大型可图案化透明木材》（Solar-assisted fabrication of large-scale, patternable transparent wood）为题发表在 Science Advances 上，由美国马里兰大学帕克分校材料科学与工程系博士夏芹芹、博士后陈朝吉担任共同第一作者，胡良兵担任通讯作者[1]。

胡良兵课题组于 2018 年发明了超级木头（超强、超韧、超硬），首次提出了 2 步法制作超级木头理论。2018 年 2 月，相关论文以《将散装天然木材加工成高性能的结构材料》（Processing bulk natural wood into a high-performance structural material）为题发表 Nature 上[2]，国际专利在 2018 申请，今年被授权。

2018 年后学术领域有很多跟进的报告，前不久的“木头刀”就是超级木头的一个应用案例，李腾老师也是胡良兵长期的合作者。

而本次研究成果更加有趣，该团队利用细胞壁工程对材质较硬的木板进行处理，制备出一种机械性能兼塑性良好的多功能三维（3D）结构木板。由此产生的 3D 成型木板，其强度可达原始木材的 6 倍，性能有望和铝合金类似的金属材料相媲美。

10 月 22 日，相关论文以《轻质、坚固、可塑性木材通过细胞壁工程可作为持续的结构材料》（Lightweight, strong, moldable wood via cell wall engineering as a sustainable structural material）为题发表在新一期Science 封面，由美国马里兰大学帕克分校材料科学与工程系教授胡良兵担任通讯作者[3]。


该研究成果解决了传统 “自下而上” 研究木材成型方面和用途方面的弊端，在保证木材机械强度和韧性的同时，降低了单木板的使用成本。

蜂巢芯 3D 成型木板性能提高 6 倍

其实，人们你在木材成型方面已经做了很多年的探索，也取得了不同的程度进展，木头可以被雕刻成美观而复杂的三维结构，比如气势恢宏的紫禁城中很多屋檐都是有木块雕琢而成的。


然而，这些物理方法不会改变木材本身的微观结构或材料性能，这较大地限制了木材在先进工程领域的实际应用。

这些年，也有其他分解及再加工木材的研究方法。当木材被去纤化成具有极高机械强度的纤维素纳米纤维时，可用高含水量的浆液加工成 3D 结构，通过聚合物的添加来改善其性能，这不仅降低了木材作为可持续材料的优势，也增加了制备成本，无法达到预期效果。

胡良兵表示：“我们对天然木材进行脱木素和软化，将木材中大部分木质素和半纤维素去除，然后通过‘水冲’的方法将木头风干。再放入水中，木材里边的大孔洞发生膨胀，小的孔洞来不及膨胀，当我们把木头从水中拿出时，整个木头的密度就会增加，可以达到很好的机械性能。”


木材密度增加后，每个孔之间的接触就会变好，由于它们之间具有很强的氢键，木材的性能就会大幅提高，其性能可以提高6倍，甚至能够与铝合金的性能相媲美。

另外，经过处理后的 3D 成型木材还有良好的塑性，木材中存在的这种发皱的孔洞，就像一张起皱的 “皮”，受拉力时可以伸展，这种“皱”的结构起到延展作用，从而增加了木材的柔韧性。

有望替代铝合金，可拓宽木材在高端器械领域的应用

该研究成果最大的亮点在于首次制备出一种机械性能良好的 3D 成型木材，基于这种性能可以做成各种形状的产品，可以实现传统木材无法实现的应用。


如此，塑料和金属的某些特有的应用，3D 成型木材也可以做到。譬如，金属材质的桌子要想收起来，直接将一条桌腿折起来即可，该团队所做的木材也可实现，在之前是无法想象的，很大程度上拓宽了木材在高端器械方面的应用。

从全球可持续发展的角度来讲，人们对大气环境的清洁度的要求越来越高，金属在生产的过程不可避免地会排放大量的二氧化碳，而木材则有利于吸收二氧化碳，木材所具备的独特优势，对“碳达峰”和“碳中和”有很大的促进作用，其应用在未来将变得更加重要。

胡良兵表示：“我们在木头方面已经做了7年了， 我成立的公司 Inventwood 希望未来两三年之间有一些具体的商业化产品落地。”

当胡良兵谈及在科研方面的感想时，他直言“课题方向”的选择尤为重要，很多时候会发现自己感兴趣的方向别人都已经在做了，甚至有学生幽默地调侃“自己出生的太晚了”，从理性的角度分析，人类各方面在变好的同时也面临更多的挑战，如某些特殊领域的“技术”难题。

胡良兵团队另一项研究成果则与当下热点话题 “固态电池” 有关。

改变纤维素的晶体结构，实现固态电池超快锂离子传输

全球汽车保有量市场规模不断增大，加之特斯拉等新型电动汽车的普及，人们对汽车的续航能力要求越好越高。

人们对全固态电池的前景十分看好，一方面在高能量密度方面有很大的提升空间，另一方面希望提高电池安全性。

全固态电池可以解决人这两方面的诉求，并且在安全性方面也有显著提高。全固态电池与传统电池本质的区别是 “电解质” 不同，而聚合物电解质更值得关注。

胡良兵团队阐述了一种利用分子通道工程实现高性能 “固体聚合物 ”离子导体的一般方法。铜离子 和纳米纤维发生化学反应，能够使锂离子沿聚合物链快速传输。

10 月 20 日，相关论文以《铜配位纤维素离子导体用于固态电池》（Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries）为题发表在 Nature 上，由布朗大学工程学院教授齐月、美国马里兰大学教授胡良兵担任共同通讯作者[4]。


胡良兵表示：“我们所用的纤维素纳米纤维（CNFs）能够溶解锂离子并协助其运输，但是纤维素分子链中间的空间比较窄，锂离子不太容易通过。我们第一次实现了通过铜离子把纤维素的化学键打开，这种情况下可以塞很多的锂离子进去，就可以提高锂离子的数量和传播速度。

举一个较为形象的例子，在一个可以站很多的人的桥上，每个键之间有合适的距离，就像双杠一样，它们之间的距离过大或过小都不适合往前跑。当这个距离刚好合适的时候，跑得也快，到达的人很多、人流也很大。”

该团队嵌入 Li+ 的 Li-Cu-CN F离子电导率比其他聚合物电解质高 10-1000 倍，对推动安全、高性能固态电池的进一步发展具有重要的意义。

胡良兵表示：“我们现在引入了一个基于木头原料做的高性能全固态的电解质，它是全固态电解质中的新型“成员”，这是我们引以为豪的事。”

在该领域面临的主要挑战之一是电池的安全性问题，像目前一些新能源电动车，经常会发生电池自燃或爆炸的问题，怎么把电解质与很多电子材料较好地匹配较为关键，需要通过电化学，包括对界面、稳定性进行研究。

目前该团队也做了一些电池性能提高的工作，但电池快充和快放电之间按的转化，基于新型电解质、高能量密度对整个电池的设计还有待进一步探索。此外，还面临着如何量产的问题。

以终为始，选好科研方向至关重要

从事科学研究二十余年，胡良兵有一套专属自己的“内功心法”，首先科研方向的选择很重要，如果选择一个不重要的课题或在已有的方向微改进一下，即便获得阶段性的进展，意义也不是很大。

其次，要尊重科研本身及数据，在科研困难面前要勇于坚持，同时也要相信自己的 “直觉”，当一个研究成果实在做不出来时要及时止损，停一段时间返回来再做或许有新的收获。

关于 “木头大王” 这个头衔，胡良兵这样评价自己。“首先很开心大家这样称呼，我比较幸运被大家所关注到，基于我的物理研究背景，有更多的机会与懂木头方面的专家合作，将我在物理中所学到的纳米技术结合起来，做了一些新鲜的东西。

与头衔相比，我所做的研究成果能被大家认可，并推动商业化落地更具成就感。”

木头通过纳米高端化，这个方向刚刚兴起，该领域太需要像胡良兵一样背景的科学家加入。胡良兵团队在商业化方面积累了一定的经验，最后也给有商业化想法或正在商业化的科学家一点个人建议：

一是要以终为始，立足亟待解决的人类命题，选择研究方向；二是科学家要尊守商业经营法则，将科学研究与商业化量产等企业经营高效协同，涉及尖端技术做好专利保护。