大自然的啟發(fā)
——木材仿生與智能響應(yīng)

李堅

（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040）

卷首文摘

大自然的啟發(fā)
——木材仿生與智能響應(yīng)

李堅

（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040）

李堅 遼寧阜新人，東北林業(yè)大學(xué)教授，中國工程院院士，國際木材科學(xué)院院士。主要研究方向為納米纖絲化纖維素與氣凝膠、木材仿生與智能化、木材碳學(xué)與綠色加工、木材保護(hù)與功能修飾等系列技術(shù)。

仿生學(xué)就是通過研究自然界生物的結(jié)構(gòu)、性狀、行為以及與生存環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制，為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)。為木材的各類加工技術(shù)，諸如化學(xué)的、物理的或生物的加工，提供新的理念，新的設(shè)計，新的構(gòu)成，而賦予木材新的功能或智能響應(yīng)性的科學(xué)，稱其為木材仿生科學(xué)。

自然界的生物體經(jīng)過數(shù)十億年的物競天擇、優(yōu)勝劣汰，其結(jié)構(gòu)與功能已趨至完美，實現(xiàn)了宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的有機(jī)統(tǒng)一。如荷葉的滴水不沾特性、棉花的輕柔飄逸特性、海鞘的環(huán)境響應(yīng)特性、貝殼的“磚—橋—泥”層級結(jié)構(gòu)、候鳥海龜?shù)摹扒Ю镞w徙”和“萬里洄游”特性、樹根的自修復(fù)特性等現(xiàn)象已切實體現(xiàn)了自然生物體微觀結(jié)構(gòu)與宏觀功能的和諧統(tǒng)一。同樣，自然界的這些生物體所固有的智能行為和獨特的自然屬性給予了木材科學(xué)無盡的啟發(fā)，從大自然給予的啟發(fā)，依據(jù)生物學(xué)原理和現(xiàn)代技術(shù)開展木材仿生與智能響應(yīng)研究，向自然界學(xué)習(xí)，模仿自然界生物體功能中的某一方面，構(gòu)筑相似甚至超越自然生物體功能的新型木質(zhì)基仿生材料，完成智能操縱的過程，進(jìn)而獲得高效率、低能耗、環(huán)境和諧與快速智能應(yīng)變的木質(zhì)基新材料，賦予木材奇異功能或創(chuàng)生新型復(fù)合材料的發(fā)展空間。

木材是一種天然的有機(jī)復(fù)合材料，由各種不同的組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分構(gòu)成，是一類結(jié)構(gòu)層次分明、構(gòu)造有序的聚合物基天然復(fù)合材料。從米級的樹干，分米、厘米級的木纖維，毫米級的年輪，微米級的木材細(xì)胞，直到納米級的纖維素分子，具有層次分明、復(fù)雜有序的多尺度分級結(jié)構(gòu)，為木材仿生高性能化材料和制備特殊的多級多尺度結(jié)構(gòu)新型材料奠定了堅實的基礎(chǔ)。木材除擁有精妙的多尺度分級結(jié)構(gòu)外，還具有天然形成的精細(xì)分級多孔結(jié)構(gòu)，孔的形狀有不規(guī)則的圓形、方形、橢圓形和多邊形等，孔徑尺寸具有從毫米到納米的明顯分級特征。木材形態(tài)各異的管孔形狀、尺寸和分布特征，為設(shè)計和制備各種分級多孔材料提供了廣闊的選材空間。除了具有結(jié)構(gòu)層次分明、構(gòu)造復(fù)雜有序、分級結(jié)構(gòu)鮮明、多孔結(jié)構(gòu)精細(xì)等特性，木材同時具有各向異性、低密度、高彈性、機(jī)械性能優(yōu)良和來源豐富、可再生、清潔等特點，為木材仿生奠基了廣闊的空間。

木材天生是一種自然智能響應(yīng)性生物材料，像其他生物系統(tǒng)一樣，具備感知、驅(qū)動和控制3個基本要素，具有生物系統(tǒng)獨有的3大自律機(jī)制：結(jié)構(gòu)自組織、損傷自修復(fù)和環(huán)境自適應(yīng)。而木材由于自身的生物結(jié)構(gòu)和形成物質(zhì)，又具有它某些獨特的智能性調(diào)節(jié)作用的性質(zhì)。（1）木材的智能性調(diào)濕調(diào)溫功能：具有智能的調(diào)溫功能，即“冬暖夏涼”。（2）木材的智能性生物調(diào)節(jié)功能：木材的視感與人的心理生理學(xué)反應(yīng)遵循和符合1/f漲落自然規(guī)律。木材所具有的1/f波譜漲落與人體中所存在的生物節(jié)律（節(jié)奏）之漲落一致時，人們就產(chǎn)生平靜、愉快的心情而有舒適之感。（3）木材的智能性調(diào)磁功能：木材具有調(diào)節(jié)“磁氣”和減少輻射的智能性功能。在木質(zhì)環(huán)境中，因木材不能屏蔽地球磁力作用，所以，生物體可以保持正常、安定的生活節(jié)奏。木材對于人體不足的磁氣又具有自然補(bǔ)充的機(jī)能，所以可以促進(jìn)自律神經(jīng)活動，適宜的磁氣對減少高血壓、風(fēng)濕癥、腎病等多種疾病的發(fā)生有一定影響。（4）木材具有天然的美學(xué)性質(zhì)：從遠(yuǎn)古到現(xiàn)代乃至將來，人們對木材情有獨鐘，這皆因木材具有其他任何材料無可比擬的美質(zhì)和美感。木材之美乃天然之美，符合現(xiàn)代人“親近自然”的追求，主要體現(xiàn)在木材的質(zhì)地、紋理和豐富多彩的花紋圖案，它能帶給人們非常美好的視覺、觸覺和嗅覺。木材來源于樹木，樹木生長于高山峻嶺之上、綠水青山之中。因此木材不同于其他材料，它是一種生物質(zhì)材料，具有生物的生氣與靈性。木材的這種生氣與靈性正是木材之美的真諦所在。

總之，木材源于自然，擁有大自然賜予的精妙的多尺度分級結(jié)構(gòu)、天然形成的精細(xì)分級多孔結(jié)構(gòu)、智能的調(diào)濕、調(diào)溫、生物調(diào)節(jié)、調(diào)磁、天然美學(xué)等多種智能性功能，木材的這些天然的自然屬性為開展木材仿生與智能響應(yīng)科學(xué)研究奠基了堅實的理論基礎(chǔ)，為仿生構(gòu)筑高性能木質(zhì)新材料提供了廣闊的發(fā)展空間。木材仿生與智能響應(yīng)科學(xué)研究期望以自然界給予的各種現(xiàn)象為啟發(fā)，進(jìn)行自然界生物體的結(jié)構(gòu)，功能、行為、視覺等仿生研究，充分利用木材自身獨特的天然結(jié)構(gòu)與屬性，將其與納米技術(shù)、分子生物學(xué)、界面化學(xué)、物理模型等相結(jié)合，制備出具有奇異性能的仿生木質(zhì)基新型材料。堅持創(chuàng)新理念，主動增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，今后應(yīng)聚焦關(guān)注：響應(yīng)性智能高分子膜的設(shè)計與制備；結(jié)構(gòu)化仿生表面的設(shè)計與制備（包括軟印刷技術(shù)）；木材中膽甾型液晶相的奇異光學(xué)性質(zhì)。同時倡導(dǎo)并加強(qiáng)木材科學(xué)與其他相關(guān)學(xué)科之間進(jìn)行廣泛、深入的交叉融合，實現(xiàn)“它山之石，可以攻玉”。

—— 摘自《科技導(dǎo)報》2016年第19期