1 林木資源利用現狀及趨勢

《中國森林資源報告（2014—2018）》顯示我國森林資源總體上呈現數量持續增加、質(zhì)量穩步提升、生態(tài)功能不斷增強的良好發(fā)展態(tài)勢，形成了國有林以公益林為主、集體林以商品林為主、木材供給以人工林為主的合理格局[7]。第九次全國森林資源清查結果顯示，我國森林面積高達2.2億hm2，森林覆蓋率為22.96%，蓄積量為175.60億m3。其中人工林面積7 954萬(wàn)hm2，繼續保持世界首位。森林植被總生物量188.02億t，總碳儲量為91.86億t。年涵養水源量6 289.50億m3，年固土量87.48億t，年滯塵量61.58億t，年吸收大氣污染物量0.40億t，年固碳量和年釋氧量分別為4.34億、10.29億t。豐富的森林資源儲備在推動(dòng)社會(huì )發(fā)展、經(jīng)濟建設、鄉村振興和可持續發(fā)展方面都有舉足輕重的作用[8]。

雖然我國地域遼闊，森林資源總量豐富，但相對于眾多的人口，我國依然是一個(gè)缺林少綠的國家。森林覆蓋率低于30.7%的全球平均水平，人均森林面積僅為0.132 hm2，不到世界平均水平的四分之一，居世界第134位。人均森林蓄積為9.421 m3，不到世界平均水平的六分之一，居世界第122位。森林資源人均占有量不足、森林分布不均和質(zhì)量不高、森林生態(tài)系統脆弱的狀況長(cháng)期存在，高附加值和高科技含量林木產(chǎn)品短缺是限制我國木材工業(yè)轉型升級的突出問(wèn)題。同時(shí)，隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，不斷減少的森林資源與日益增長(cháng)的木材需求呈明顯的不對等關(guān)系，木材供應緊張、供需矛盾突出和保障國家木材安全問(wèn)題日益凸顯。相比于天然林，我國人工林的單位面積蓄積量為52.8 m3/hm2，僅相當于天然林的50%。自2016年全面停止天然林商業(yè)性采伐以來(lái)，全國年均木材生產(chǎn)量持續下降，預期到2023年，我國木材年產(chǎn)量將從2013年的8 438.5萬(wàn)m3下降至5 859.8萬(wàn)m3。而木材需求量到2020年將接近8億m3。隨著(zhù)世界各國對森林資源的保護和對出口木材的管控，天然木材的進(jìn)口日益趨緊且不可持續，不可能長(cháng)期依靠進(jìn)口木材來(lái)解決我國木材的供需矛盾。未來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間內，提質(zhì)增效、轉型升級是以木材為基礎林業(yè)資源高效利用的核心問(wèn)題。

人工林木材生長(cháng)迅速、成本較低，能有效提供工業(yè)用材，同時(shí)具有優(yōu)異的生態(tài)和經(jīng)濟效益，是代替天然林木材的重要戰略資源。經(jīng)過(guò)國家發(fā)展和統籌管理，我國人工林產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，截止2018年，全國人工造林面積7 954萬(wàn)hm2，排名世界第一[8]。雖然擁有世界面積最大的人工林，但人工林木材存在材質(zhì)低劣、易干縮變形、腐朽霉變等固有缺陷，且人工林木材中大量小徑級木材，主要適用于纖維板、刨花板和膠合板，不能直接用于制作家具、建筑、室內裝飾和工業(yè)產(chǎn)品，極大制約了人工林木材的使用。加強人工林木材深度加工技術(shù)和全質(zhì)化綜合利用技術(shù)研究，改善人工林木材的性能，擴大其應用范圍，實(shí)現人工林木材高值化和多功能化利用，對緩解木材供需矛盾，促進(jìn)我國木材工業(yè)轉型升級，增強林業(yè)產(chǎn)品競爭力具有重要意義。

2021年也是我國鄉村振興戰略的開(kāi)局之年，木材工業(yè)是鞏固國家脫貧攻堅成果和助力鄉村振興戰略的一支重要力量。我國山區面積占全國總面積60%以上，山區人口約占全國人口60%以上。山區擁有豐富的森林資源和人力資源，具有轉化資源優(yōu)勢為經(jīng)濟優(yōu)勢的巨大潛力。作為農村經(jīng)濟的重要組成部分，加強林業(yè)資源的培育和高值利用，完善從木材培育、采伐到高值加工利用的全產(chǎn)業(yè)鏈布局對推動(dòng)山區的經(jīng)濟發(fā)展，促進(jìn)農民增產(chǎn)增收，實(shí)現鄉村振興具有重要意義。

2 木材仿生智能科學(xué)

木材是一種天然復合材料，具有結構層次分明、構造復雜有序、天然多孔的基本特征，同時(shí)具有各向異性、輕質(zhì)高強、電熱絕緣和來(lái)源豐富、可再生的特點(diǎn)，為仿生奠定了堅實(shí)的科研基礎[17-20]。木材主要由不同形態(tài)的生物細胞和不同功能的組織構成。從宏觀(guān)到微觀(guān)，木材的多尺度分級結構可分為：米級的樹(shù)干、厘米級的木纖維、毫米級的年輪、微米級的細胞和納米級的纖維素微纖絲。單個(gè)木材細胞由薄的初生壁（約占細胞壁厚度1%）、厚的次生壁和細胞腔組成。其中，纖維素纖絲是組成木材細胞壁的基本單元。由纖維素分子鏈平行排列組成基元纖絲，基元纖絲組成微纖絲，微纖絲聚集成纖絲，再到粗纖絲，粗纖絲相互纏繞組成細胞壁薄層，許多薄層再聚集成細胞壁。在纖維素微纖絲聚集形成纖維素纖絲的過(guò)程中，木質(zhì)素和半纖維素等物質(zhì)聚集在微纖絲之間的空隙中，相互交聯(lián)，形成木質(zhì)纖維素纖絲。

在木材細胞壁中，次生壁是構成主體，主要由次生壁外層S1、次生壁中層S2和次生壁內層S3組成。在次生壁S1層，微纖絲有4~6個(gè)薄層，一般為細胞壁厚度的9%~21%，微纖絲成規則網(wǎng)狀，并與細胞長(cháng)軸成50o~70o夾角。次生壁S2層是次生壁中最厚的一層，在早材的細胞壁中，其微纖絲層數為30~40層；晚材細胞可達150個(gè)薄層以上，一般為細胞壁厚度的70%~90%，微纖絲近平行排列，與細胞長(cháng)軸成10° ~30° 夾角。在次生壁S3層，微纖絲有1~6個(gè)薄層，一般為細胞壁厚度的0~8%，微纖絲的排列成平坦螺旋狀，與細胞長(cháng)軸成60° ~90° 夾角[12-14]。

除此之外，木材中的管孔形式也多種多樣。就孔隙尺寸來(lái)說(shuō)，闊葉樹(shù)材中存在著(zhù)孔徑較小的木纖維和孔徑較大的導管，而針葉樹(shù)材的孔徑尺寸分布較為均勻。木材細胞壁之間還存在著(zhù)構造和排列方式各異的紋孔結構。形態(tài)各異、多種多樣的木材管孔特征，為制備各向異性的多孔材料提供了廣闊的結構設計思路。因此，在進(jìn)化過(guò)程中，木材自然形成了層次分明、排列復雜有序的多尺度細胞壁結構和精妙的細胞孔隙結構。木材中以纖維素微纖絲為基礎的化學(xué)組分為交聯(lián)和鍵合其他功能物質(zhì)，進(jìn)而制造高性能、高附加值功能產(chǎn)品提供了無(wú)限可能。木材各向異性、分級多孔的構造學(xué)特征也有助于容納其他納米材料，使其在光控器件、力學(xué)結構、電磁傳感、分離提取、選擇性過(guò)濾、催化劑裝載和木質(zhì)傳感器件方面有重要的研究?jì)r(jià)值[21-29]。

木材仿生智能科學(xué)綜合了物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、納米科學(xué)、電磁學(xué)、工程技術(shù)、生物工程等多學(xué)科理論知識。以木材精妙的多尺度分級結構、多孔隙構造學(xué)特征，智能性調溫、調濕、電熱絕緣和天然美學(xué)的功能為基礎，以自然界給予的各種現象為啟發(fā)，運用納米技術(shù)、界面化學(xué)和計算機模擬手段，對自然界生物體的結構、功能、行為和與環(huán)境的響應機制仿生，合理設計和改變木材結構，交聯(lián)和嫁接功能性基團、納米材料和高分子化合物，充分利用木材獨特的物理和化學(xué)屬性，制備出具有特定功能的仿生木基新材料。

木材的仿生學(xué)研究過(guò)程可以分為三個(gè)步驟：1）發(fā)現過(guò)程：觀(guān)察自然界生物體的結構多樣性、功能特異性和環(huán)境響應性，發(fā)現不同生物的結構、生存和行為模式；2）研究過(guò)程：運用各種研究手段收集和了解生物實(shí)現其特殊功能的理論基礎，發(fā)現生物材料、組織構效、系統集成和行為轉換的科學(xué)機制；3）仿生創(chuàng )造過(guò)程：在發(fā)現和研究生物結構和功能的基礎上，多學(xué)科交叉融合，通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新創(chuàng )造新型木基復合材料。

總而言之，木材仿生智能科學(xué)在現代木材科學(xué)發(fā)展史中具有里程碑的意義，其提出使木材研究由宏觀(guān)復合向微觀(guān)復合發(fā)展，由一元體系向二元甚至多元體系拓展，由木材單一傳統應用向智能化、環(huán)境化和功能化利用發(fā)展，充實(shí)了新的內涵，為木材科學(xué)領(lǐng)域科研工作者從更深層次上揭開(kāi)木材科學(xué)內幕，提供了通過(guò)認知事物、模擬過(guò)程、調控結構和優(yōu)化性能的方法論，同時(shí)也為木材科學(xué)和其他學(xué)科之間的交叉融合構建橋梁，實(shí)現“他山之石，可以攻玉”。

樹(shù)木經(jīng)歷了大自然億萬(wàn)年的物競天擇，形成了其獨特的生長(cháng)方式、組織結構和優(yōu)異屬性，其主要產(chǎn)物——木材也是人類(lèi)最早開(kāi)發(fā)和利用的材料之一。由于木材來(lái)源廣泛、易于加工、機械性能優(yōu)良，一直被用作建筑結構和裝飾耗材。同時(shí)，木材和木制品是天然的碳儲庫。樹(shù)木在生長(cháng)過(guò)程中通過(guò)光合作用，將大氣中的CO2固定在木材內，因此木材的整個(gè)生命周期能耗低，碳排放呈負值。

以木材作為原料，利用木材功能改良技術(shù)，解決速生林木材普遍存在的強度低、變形開(kāi)裂、藍變菌腐等材質(zhì)低劣問(wèn)題，延長(cháng)木制品的使用期限、強化廢舊木材的回收和資源化利用，可以緩解資源短缺，減輕森林負擔，充分發(fā)揮木材的碳儲功能。

基于木材獨特的層級結構和精細的孔隙構造，利用表面工程技術(shù)、納米制造技術(shù)、化學(xué)改性、熱處理的先進(jìn)加工方式，對木材的結構進(jìn)行仿生設計，獲得具有出色機械強度、光熱吸收、能源轉換、流體傳質(zhì)和離子傳輸的木基材料，使這些先進(jìn)木基功能材料在結構建筑、能源存儲、環(huán)境修復、智能制造等領(lǐng)域展示出獨特的優(yōu)勢，對擴大木材和木基材料的使用范圍，替代鋼材、塑料等高碳排放和高能耗工業(yè)原材料，減輕人類(lèi)對于有限化石資源的過(guò)分依賴(lài)，降低大氣污染物和溫室氣體排放，保障能源安全、保護環(huán)境，實(shí)現低碳發(fā)展和綠色經(jīng)濟具有重要的意義。

3 木材仿生功能材料的發(fā)展

自然界中存在許多力學(xué)性能優(yōu)異的天然生物材料，如骨骼、牙齒和貝殼等，經(jīng)歷了長(cháng)期的進(jìn)化過(guò)程，材料的微觀(guān)結構和與之對應的物理特性趨于最優(yōu)。以貝殼為例，最堅硬的珍珠層就是由有機基質(zhì)和文石晶片相互增強形成的層狀復合材料，其微結構就像建筑墻壁的磚塊一樣相互堆砌、層狀排列，這種特殊的分布方式有效提高了貝殼整體的彈性模量、抗壓強度和韌性，模仿貝殼珍珠層結構已成為當今世界材料仿生設計研究中的熱點(diǎn)方向[30-31]。近年來(lái)，貝殼的“磚-泥”式結構也為仿生開(kāi)發(fā)高強度特種木材提供了指導方向。

天然木材具有較好的強度、低密度和易于加工的特點(diǎn)，長(cháng)期以來(lái)一直被用作家具和建筑結構材料。自天然林區禁伐以來(lái)，進(jìn)口木材成本較高，人工林木材材質(zhì)低劣的現狀長(cháng)期存在，使用人造板作為主要木質(zhì)工程材料符合現階段我國基本國情。人造板充分利用了木質(zhì)纖維、刨花、碎料等林產(chǎn)加工剩余物，能夠極大提高木材利用率[32]。目前，我國人造板領(lǐng)域市場(chǎng)規模巨大，年產(chǎn)量超過(guò)3.25億m3，市場(chǎng)規模近萬(wàn)億元[33]。但傳統人造板如纖維板、刨花板和膠合板的機械性能（強度和韌性）較低，主要使用甲醛類(lèi)膠黏劑，給室內居室帶來(lái)甲醛釋放等問(wèn)題。開(kāi)發(fā)新型、環(huán)保、輕質(zhì)高強的人造板對傳統人造板行業(yè)的轉型升級，邁向綠色發(fā)展具有重要意義。

從木材的結構特征分析，其多孔層級結構決定了空氣占據了其總體積的絕大部分。木材的機械強度和韌性主要依賴(lài)于細胞壁中的纖維素微纖絲，而細胞壁中的木質(zhì)素則起著(zhù)膠黏劑的作用，將應力傳遞給硬度更高的纖維素，并將整個(gè)木材細胞牢固維系在一起。從結構調控的角度考慮，通過(guò)密實(shí)化處理，排除木材細胞腔內空氣，增加木材細胞壁占比，是提高木材機械強度和綜合性能的有效方法。另一方面，由于纖維素是木材細胞壁的骨架物質(zhì)，細胞壁優(yōu)異的機械強度源自于纖維素分子鏈之間相互交聯(lián)的氫鍵，壓縮木材細胞的空間，使木材細胞體積減小，意味著(zhù)纖維素分子之間氫鍵連接的最大化，從而增加了承重單元的體積分數，增大其機械強度。熱、蒸汽和堿處理通常是常見(jiàn)的軟化細胞壁、實(shí)現木材致密化的手段[34-35]。

浙江農林大學(xué)孫慶豐課題組通過(guò)仿生生物礦化作用，利用化學(xué)礦化和機械壓縮的方法，開(kāi)發(fā)了類(lèi)似貝殼“磚-泥”結構的輕質(zhì)高強纖維板[36]。部分脫除天然木質(zhì)纖維中的纖維素和半纖維素，使木質(zhì)纖維具有了更好的柔韌性和化學(xué)反應活性，隨后的密實(shí)化處理完全壓縮了木材細胞體積，減小了木材細胞之間的間隙，增強了纖維質(zhì)單體的力學(xué)性能。同時(shí)，利用化學(xué)礦化反應，木質(zhì)纖維之間形成了優(yōu)于氫鍵的化學(xué)鍵聯(lián)。從形態(tài)結構上看，這種輕質(zhì)高強的纖維板材料不僅具有貝殼的層級結構，纖維與纖維之間相互交聯(lián)的化學(xué)鍵，還類(lèi)似于貝殼結構中起粘接作用的有機基質(zhì)層。當受到外力時(shí)，層積結構有利于吸收外部應力，讓沖擊能量沿著(zhù)界面層傳播。纖維層之間存在的強相互作用在吸收沖擊能量的同時(shí)，在裂紋擴展路徑上形成周期性阻力，防止材料被破壞，因此板材的韌性增大。進(jìn)一步研究發(fā)現，利用有序組裝和化學(xué)礦化的方法，1 mm厚的纖維板可以達到與天然貝殼相當的力學(xué)強度，而總無(wú)機含量?jì)H為天然貝殼的六分之一[37]。綜合機械性能和密度，纖維板的比強度和韌性甚至優(yōu)于金屬銅和鐵。不僅于此，受到天然貽貝及其分泌的黏性蛋白啟發(fā)，李堅課題組選擇含有某些活性成分和催化劑的水溶性體系，仿生制備了無(wú)甲醛釋放、膠接強度高的綠色膠黏劑。目前正以木材單板、木質(zhì)纖維和木刨花為原料，在山東新港集團進(jìn)行工廠(chǎng)規模化試驗。

針對實(shí)體木材增強，馬里蘭大學(xué)胡良兵教授課題組從天然木材中先部分去除木質(zhì)素和半纖維素，再進(jìn)行熱壓，制備出了具有貝殼層級結構的超級木材[38]。木質(zhì)素和半纖維素從細胞壁上的部分脫除增加了木材的孔隙度，減小了木材的硬度。在致密化過(guò)程中，木材的細胞腔以及多孔的木材細胞壁發(fā)生積壓變形，導致木材致密化后厚度減少為原始厚度的四分之一，強度和韌性增加10倍。因此，超級木材具有遠遠超過(guò)普通結構金屬和合金的比強度。高強度和高韌性一方面來(lái)源于木材細胞壁存在的纖維素納米纖維，另一方面也與被完全壓縮、層層堆疊的細胞壁結構緊密相關(guān)。除了優(yōu)異的機械性能，防火性和耐候性也是木材建筑應用需要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵性能。在致密化木材中，幾乎坍塌的木材細胞壁極大增加了木材密度，減少了木材中空氣含量，在燃燒后能夠形成的致密炭化層阻礙空氣和熱量進(jìn)入木材內部，延長(cháng)著(zhù)火時(shí)間，達到增強木材防火性能的效果[39]。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏院士團隊基于木材天然多孔的結構，提出了一種構建人工木材的生物質(zhì)礦化策略[40-42]。利用農林加工剩余物木屑和纖維素納米纖維，通過(guò)混合和冷凍干燥技術(shù)，構筑出一種新型的各向同性仿生木材。天然的纖維素納米纖維暴露在木質(zhì)顆粒表面，納米纖維通過(guò)離子鍵、氫鍵、范德華力以及物理糾纏等相互作用結合在一起，無(wú)需任何粘結劑，即緊密結合為高強度的致密結構，從而構筑了無(wú)膠黏劑添加的各向同性的高性能人造板材，其抗彎強度高達170 MPa，彎曲模量約10 GPa，力學(xué)強度遠超天然實(shí)木和傳統人造板[43]。

運用仿生學(xué)原理構筑的輕質(zhì)高強實(shí)木建筑材料具有優(yōu)異的斷裂韌性、抗壓強度、硬度、抗沖擊性、尺寸穩定性以及優(yōu)于天然木材的阻燃性。仿生超強的特種木材是一種全生物基的環(huán)保材料，不含任何甲醛膠黏劑，且制備尺寸不受限制，工藝流程能夠較好對接目前人造板生產(chǎn)工藝，具有遠超樹(shù)脂基材料和傳統塑料的力學(xué)性能，應用前景十分廣泛，有望在許多場(chǎng)景下取代塑料、鋼鐵和傳統板材。

太陽(yáng)能和水是地球上最豐富的兩種資源。在自然界中存在的許多動(dòng)植物比人類(lèi)更早懂得利用太陽(yáng)能和水。例如：植物的蒸騰作用，利用太陽(yáng)能驅動(dòng)，促進(jìn)植物莖葉中水分流動(dòng)和礦物質(zhì)吸收，同時(shí)加速二氧化碳循環(huán)，提高光合作用效率。藍藻的細胞質(zhì)中存在許多含有葉綠素的光合膜，這種特殊的器官有利于充分吸收微弱的光源，更加高效地進(jìn)行光合作用，合成養料，供細胞所需。玫瑰花瓣表面光滑，其表皮分布許多隨機的微米級和納米級凸起。這種微納米結構不僅賦予了玫瑰花瓣超疏水性，而且有利于增加光的散射和折射，讓花瓣吸收更多陽(yáng)光而不是將光反射出去。紅珠鳳蝶的翅膀上分布著(zhù)尺寸、形狀各異的晶格結構。這些納米級晶格的間距都小于1微米，能從不同角度進(jìn)行光散射，提高對光的吸收效率。

天然木材具有多孔的結構和吸光的木質(zhì)素，在可見(jiàn)光譜范圍內存在強烈的光線(xiàn)吸收和散射，并不具備透過(guò)光和調控光的能力。通過(guò)合理設計木材的物理結構和改變木材化學(xué)組成，可以制備能夠透過(guò)可見(jiàn)光的透明木材，賦予木材光管理能力。讓木質(zhì)材料透明化主要手段是除去具有強烈光吸收作用的化學(xué)成分消除光吸收，并填充與空氣光學(xué)折射率匹配的透明材料消除光散射。瑞典皇家理工學(xué)院Berglund教授和李媛媛研究員在木材透明化方面做了大量的研究工作，先使用亞氯酸鈉、雙氧水對木材進(jìn)行脫木質(zhì)素處理，再真空浸漬高分子樹(shù)脂，得到了具有極高透光率（>80%）的透明木材[44-46]。胡良兵教授課題組基于木材直通的管孔結構，揭示了透明木材具有極高的光學(xué)霧度（>95%）的科學(xué)機理[47-49]。相比于日常生活中應用最廣泛的玻璃，透明木材由于其極高的光學(xué)霧度，可在白天產(chǎn)生均勻一致的日光分布，且無(wú)眩光效果。更重要的是，透明木材繼承了木材隔熱性能良好（熱導率遠低于玻璃）、抗沖擊能力高和質(zhì)量輕的突出優(yōu)點(diǎn)，具有降低高層建筑安全隱患等諸多優(yōu)勢，有望代替玻璃，成為構筑節能建筑、減少能量消耗的備選材料[50]。在透明木材制備工藝的基礎上，通過(guò)引入功能基團或納米材料的功能化修飾手段，可以增強透明木材的光熱管理能力，如制備熒光透明木材、層壓透明木材、冷光木材、熱屏蔽透明木材。利用仿生學(xué)原理，這些研究進(jìn)一步豐富和發(fā)展了木材在光熱管理領(lǐng)域的應用[51-54]。

不止于透明木材，面對全球日益嚴峻的水資源短缺，許多專(zhuān)家和學(xué)者受樹(shù)木蒸騰作用的啟發(fā)，仿生構筑了光吸收木材，并將其應用于太陽(yáng)能蒸發(fā)海水淡化裝置的開(kāi)發(fā)[55-57]。太陽(yáng)能蒸發(fā)產(chǎn)生潔凈水代表了一種綠色和可持續發(fā)展的水生產(chǎn)方向，一系列新的發(fā)電、蒸汽滅菌和燃料生產(chǎn)技術(shù)逐漸興起。從本質(zhì)上來(lái)講，要達到理想的太陽(yáng)能蒸發(fā)效果需要三個(gè)關(guān)鍵的材料設計原則：1）需要有很強的光吸收材料；2）需要具有水分傳輸和熱絕緣的材料襯底；3）合理的結構設計，實(shí)現在寬波段的太陽(yáng)光吸收[58-60]。天然木材具有親水性、分級多孔結構、導熱系數低、力學(xué)強度高的優(yōu)點(diǎn)，但并不具備光吸收特點(diǎn)。因此，采用表面碳化、石墨涂層、CNT涂層和等離子體納米粒子涂層工藝技術(shù)，增強木材的光吸收能力已經(jīng)被證明是用木材直接實(shí)現太陽(yáng)能蒸發(fā)，即“人工蒸騰作用”的有效途徑。胡良兵教授、周軍教授和Singamaneni教授等團隊都開(kāi)創(chuàng )性地設計了具有雙層木材結構的太陽(yáng)能蒸發(fā)器[61-63]。在典型的雙層木材結構設計中，頂部為表面碳化木材形成的太陽(yáng)能吸收層，底部為未碳化的天然木材。當雙層木材置于海水中，并受太陽(yáng)光照射，黑色頂部表面迅速吸熱并產(chǎn)生蒸汽。木材獨特的孔隙結構和親水性讓水分從底部通過(guò)毛細作用源源不斷輸送至表面并蒸發(fā)。未碳化的天然木材層由于其較低的導熱率，可以阻止熱量直接耗散在海水中，因此極大提高了木制太陽(yáng)能蒸發(fā)器的能量利用效率。

除了光學(xué)吸收，在輻射制冷領(lǐng)域，木材也大放異彩。基于木材出色的視覺(jué)、觸覺(jué)特性和隔熱性能、低導熱性，木材在家居和建筑行業(yè)中常被用作裝飾、隔熱和保溫材料。在夏季，木材極低的導熱性阻止大部分熱量從炎熱的戶(hù)外傳導到室內環(huán)境。充分利用木材優(yōu)異的保溫性能，可以大大減少建筑物圍護結構的能量損失。

近年來(lái)，科學(xué)研究不斷優(yōu)化木材的隔熱性能。去除木材細胞壁中具有導熱性能的木質(zhì)素，已被證明是降低木材導熱性能的有效方法之一[64-66]。木材脫木質(zhì)素后，除去了纖維素微纖絲之間的膠黏組分，在細胞壁上產(chǎn)生了大量納米孔，破壞了熱量傳輸通道，因此，脫木質(zhì)素后木材的隔熱性能可以媲美二氧化硅、聚合物氣凝膠和聚苯乙烯泡沫塑料等商用隔熱材料[67]。不僅于此，木材脫去木質(zhì)素的同時(shí)也去除了細胞壁中的顯色基團，使木材具有了明亮的白度，極大增加了對光的反射率。普渡大學(xué)李恬研究員通過(guò)密實(shí)化處理脫木質(zhì)素木材，創(chuàng )造了制冷木材，并提出了利用制冷木材高的光反射率進(jìn)行建筑結構被動(dòng)式輻射制冷的技術(shù)[68]。密實(shí)化壓縮處理增加了冷卻木材的機械強度和導熱系數，高的光反射率降低了可見(jiàn)光波段太陽(yáng)輻射的吸收，同時(shí)纖維素的分子振動(dòng)和拉伸促進(jìn)了紅外區的光發(fā)射，因此制冷木材能夠釋放比吸收太陽(yáng)光更多的熱能，使其在白天和夜間的輻射冷卻溫度都低于環(huán)境溫度，且無(wú)外部能量消耗，是一種新型的、綠色、清潔的制冷材料。浙江農林大學(xué)孫慶豐課題組以木質(zhì)纖維為原料，通過(guò)木材脫木素和密實(shí)化處理工藝，仿生制備了被動(dòng)式輻射制冷木質(zhì)纖維板[69]。

以木材天然的分級多孔結構和細胞壁化學(xué)組分為基礎，利用仿生學(xué)原理構筑的光熱管理木材在應對全球能源危機和水資源缺乏的挑戰方面取得了部分成果，但距離推向市場(chǎng)，走向規模化和商業(yè)化還有很長(cháng)的路。木材與水、細菌、真菌和污染物之間耐久性、穩定性問(wèn)題，連續生產(chǎn)和制造成本問(wèn)題，尚未被妥善解決。因此，將先進(jìn)光熱管理木材的生產(chǎn)制備過(guò)程與木材工業(yè)已有的設備和系統相匹配，降低成本、提高效率，仍是未來(lái)需要深入開(kāi)發(fā)和合理設計的發(fā)展方向。

獲取能源是自然界生命體與身俱來(lái)的本能，任何活著(zhù)的生物都必須通過(guò)進(jìn)食獲取能量，通過(guò)生命活動(dòng)消耗能量。這種生物體同外界進(jìn)行的物質(zhì)和能量交換的過(guò)程，就是新陳代謝。以綠色植物為代表的生物，把從外界吸收進(jìn)來(lái)的水和二氧化碳轉化為葡萄糖，將能量?jì)Υ嫫饋?lái)。大自然的生存規則啟發(fā)我們，能源的獲取和高效利用是生存的必要條件，也是推動(dòng)社會(huì )發(fā)展和進(jìn)化的基礎。天然樹(shù)木在長(cháng)期的進(jìn)化過(guò)程中獲得了卓越的化學(xué)合成和物質(zhì)轉化能力，在地球物質(zhì)和能量循環(huán)中起著(zhù)不可替代的關(guān)鍵作用。他們利用光合作用和物質(zhì)轉化改變著(zhù)大氣成分，通過(guò)樹(shù)葉凋零等衍生物改變著(zhù)水質(zhì)和土壤生產(chǎn)力，通過(guò)大自然的代謝和分解維持著(zhù)生物圈中物質(zhì)循環(huán)的平衡。光合作用是地球上最大規模利用太陽(yáng)能把二氧化碳和水等無(wú)機物轉化為有機物，并進(jìn)行碳存儲的過(guò)程，幾乎為所有的生命活動(dòng)提供有機物、能量和氧氣。同時(shí)，天然木材中化學(xué)組成的主要結構單元就是葡萄糖，如纖維素和半纖維素。以木材為基質(zhì)，發(fā)掘和提高木材的能量?jì)Υ婺芰Γ瑢μ岣吣茉瓷�產(chǎn)和使用效率，增加低碳和非碳燃料的使用，減緩大氣中二氧化碳的濃度增長(cháng)具有重要意義。

李堅課題組以木材的多孔分級結構學(xué)特征為基礎，將相變材料與木材復合，首次提出了仿生構建儲能相變木材的設想，并將相變儲能木材應用于節能建筑[70-71]。其中，當相變材料融化時(shí)，產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，并伴隨著(zhù)吸收儲存大量的能量；反之，當相變材料冷卻時(shí)，儲存的熱量要散發(fā)到周?chē)�環(huán)境中，進(jìn)行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變[728-73]。木材細胞壁優(yōu)良的力學(xué)性能和豐富的孔隙結構，可以為相變材料實(shí)現可逆轉變提供力學(xué)支撐和存儲空間。東北林業(yè)大學(xué)王成毓課題組采用真空浸漬的方法，將十四醇與熱敏材料填充進(jìn)入木材細胞腔，得到了一種可不借助外界工具直觀(guān)判斷當前環(huán)境溫度的相變儲能木材[74]：當溫度低于相變溫度時(shí)，木材呈現深藍色；隨著(zhù)周?chē)�環(huán)境溫度的升高，木材逐漸變?yōu)闇\藍色；當周?chē)�環(huán)境溫度高于相變溫度時(shí)，木材近乎白色，在滿(mǎn)足木材儲能功能的同時(shí)，增加了木材的美觀(guān)性。

不止于實(shí)體木材仿生，木炭是一種木材熱解產(chǎn)生的固體衍生物，不僅繼承了木材天然的三維孔隙結構，而且富含碳元素，具有優(yōu)異的導電性、高吸附性、強反應活性。馬里蘭大學(xué)陳朝吉提出了全木質(zhì)非對稱(chēng)超級電容器的概念，這種“綠色”的超級電容器直接取材于天然木材，以碳化后活性木炭作為導電負極，以橫向切割木材薄片為隔膜，以電沉積活性電容材料的木炭為正極，自組裝形成了超級電容器[75]。“三明治”夾層的結構設計，利用了沿著(zhù)樹(shù)木生長(cháng)方向直通的木材管道，使得電解液與活性納米材料能夠充分接觸，并提供快速的離子傳輸功能。由于正負極材料和隔膜材料均來(lái)自于天然木材，極大降低了超級電容器的構造成本，增加了電容器件的環(huán)保性。利用木炭獨特的結構和性能，許多先進(jìn)的集流體、分離膜和鋰電池電極材料也被相繼開(kāi)發(fā)利用，擁有巨大的發(fā)展潛力。中南林業(yè)科技大學(xué)吳義強教授以源于木材的木質(zhì)纖維素為原料，仿生棉花“輕易飄柔”特性，發(fā)展了具有大比表面積、高孔隙率、低密度、高機械強度的再生纖維素氣凝膠材料，通過(guò)化學(xué)改性、納米晶摻雜技術(shù)，制備了多種可用于能源存儲設備的正極材料、負極材料和隔膜材料，為使用天然可再生木質(zhì)纖維素資源解決傳統超級電容器中普遍存在能量密度小、壽命短、環(huán)保性差和安全性低的“卡脖子”問(wèn)題提供了可參考的新思路[76-78]。

自然界中許多生物體具有“感知、驅動(dòng)和控制”的智能性。變色龍體表的顏色可以根據周?chē)�環(huán)境改變，變化為綠色、黃色、米色和棕色等，具有感知環(huán)境刺激如光線(xiàn)、溫度和情緒，驅動(dòng)體表虹細胞內納米晶體，從而達到控制光線(xiàn)的折射，改變體表顏色的功能。在視覺(jué)上，當變色龍狀態(tài)平和時(shí)，體表納米晶體變得密集，因此折射出藍光。而當變色龍興奮時(shí)，納米晶體結構呈現出稀疏分布，折射的光線(xiàn)因此變?yōu)辄S色或紅色等。向日葵之所以向陽(yáng)生長(cháng)，主要是由于其莖干內存在著(zhù)大量懼光的細胞生長(cháng)素。當陽(yáng)光直射時(shí)，懼光的生長(cháng)素遷移到向日葵莖干背面，導致背光面莖干生長(cháng)速度加快，從而產(chǎn)生“向陽(yáng)”現象。松甲蟲(chóng)具有探測80 km以外森林火災的能力，這種快速感應溫度變化的功能與其表面存在的許多微納米級、對紅外線(xiàn)敏感的陷窩器緊密相關(guān)。其陷窩器能感受紅外線(xiàn)刺激，使松甲蟲(chóng)表皮變熱、膨脹，從而辨認出幾十千米外的火災源地。

木材同樣具有智能性。由于木材的多孔結構，大量空氣填充在木材細胞腔中，導致木材的導熱性差。因此，在炎熱盛夏，木質(zhì)結構具有隔熱性，在寒冷冬季又具有保溫性，這種“冬暖夏涼”的特性，正是木質(zhì)結構建材備受關(guān)注和喜愛(ài)的原因之一。同時(shí)，木材的孔隙結構豐富，化學(xué)組成成分中含有大量親水性基團，使木材具有吸濕和解吸功能。當周?chē)�環(huán)境含水率大于木材含水率時(shí)，木材從空氣中吸收水分；反之，一部分水分自木材表面向周?chē)�環(huán)境擴散，從而在一定程度上維持了室內濕度穩定。然而，木材作為一種天然的生物質(zhì)材料，受限于其生長(cháng)規律和遺態(tài)結構，利用其自身的響應功能仍然難以滿(mǎn)足現代高性能的智能材料需求。以木質(zhì)材料的化學(xué)性質(zhì)為基礎，利用木材精妙結構和表面官能團，通過(guò)一元或者多元復合，拓展木材“感官”，有助于木材更加靈敏地感受外界刺激，獲取信息、做出判斷和處理，使木材的結構和功能產(chǎn)生明顯改變，從而實(shí)現木材的自檢測、自診斷、自調節和自修復等超越其本身固有屬性和特征的特殊功能。

李堅課題組在木材表面原位涂覆了銳鈦礦二氧化鈦納米材料，在可見(jiàn)光驅動(dòng)下，可降解甲醛和苯酚等氣體[79]；進(jìn)一步引入銀納米顆粒，可以顯著(zhù)增強其在可見(jiàn)光照射下的催化性能。研究發(fā)現，這類(lèi)新型的可見(jiàn)光響應木材對多種有機染料和室內污染氣體，如羅丹明B、苯酚、甲醛等具有優(yōu)良的光催化降解效率，同時(shí)還表現出優(yōu)異的綜合性能，如高靈敏性、抗菌性、超疏水性、耐久性，極大地拓展了實(shí)體木材作為室內裝飾材料的智能性和安全性[80-81]。另一方面，利用高分子樹(shù)脂將溫敏材料嫁接到木材表面可以制備得到溫控變色智能木材。該類(lèi)木材具有優(yōu)異的正向可逆溫度響應和快速變色的響應速率，結合木材脫木素處理工藝，有望替代傳統玻璃，用于智能窗戶(hù)和節能建筑[82]。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Ingo Burgert教授基于木材的微觀(guān)孔道結構和細胞壁表面存在的大量羥基，利用甲基丙烯酸的酯化反應在木材細胞腔內原位聚合成了木材-異丙基丙烯酰水凝膠，賦予了木材感溫特性[83]。這種在木材細胞腔內設計和合成響應性高分子制備智能木材的方法，能夠可逆地通過(guò)外界刺激來(lái)改變木材的宏觀(guān)物性，且制備方法簡(jiǎn)單便捷、具有規模化生產(chǎn)的潛力，為進(jìn)一步賦予木材的多重刺激響應提供了可借鑒的方法論。

地球是一個(gè)大磁場(chǎng)，人類(lèi)和地球上的全部生物體的繁衍生息全處于地球磁場(chǎng)之中，地磁場(chǎng)提供給生物體在地球生活所必須的安定性磁力。許多微生物和動(dòng)物的感覺(jué)器官很敏銳，能夠感知微小的磁場(chǎng)變化，并在動(dòng)物定位、覓食和導航過(guò)程中起著(zhù)重要作用。趨磁細菌能夠吸收環(huán)境中的鐵離子，并利用體內自發(fā)進(jìn)行的生物礦化作用形成磁性納米顆粒—磁小體，每個(gè)磁小體都有南北兩極且定向排列。這種特殊的感磁器官可以用作生物指南針，使趨磁性細菌沿著(zhù)地球磁場(chǎng)移動(dòng)。在水性環(huán)境中，趨磁性細菌正是利用這種生物指南針判斷方向，從而選擇適宜生存的環(huán)境。蜜蜂的筑巢和覓食也與地球磁場(chǎng)有緊密相關(guān)：筑巢時(shí)，蜜蜂可以根據地球磁場(chǎng)方向將巢穴筑成水平方向；覓食時(shí)，蜜蜂飛舞的方向和方式也受到磁場(chǎng)的影響。很早之前科學(xué)家就從蜜蜂的腹部提取了超順磁性物質(zhì)，并發(fā)現這些物質(zhì)周?chē)�被神�?jīng)細胞包裹，因此推測磁場(chǎng)方向發(fā)生改變時(shí)會(huì )刺激蜜蜂神經(jīng)細胞，從而傳遞信息給大腦，起到辨認方位的作用[84]。海龜和候鳥(niǎo)也內置有全球定位系統，它們都可以探測地球磁場(chǎng)的強度和角度，并利用他導航數千英里。鴿子的頭骨和硬腦膜部分亦有磁性物質(zhì)，同時(shí)許多鳥(niǎo)類(lèi)鳥(niǎo)喙的三叉神經(jīng)樹(shù)突中也存在磁性物質(zhì)，這為解開(kāi)鳥(niǎo)類(lèi)的磁感應奧秘提供了有力的實(shí)驗支撐。然而，自然界生物活動(dòng)規律與磁場(chǎng)之間的聯(lián)系，生命細胞與磁場(chǎng)之間的相互作用和傳遞機制，磁場(chǎng)對生物大分子的操縱和控制等諸多科學(xué)問(wèn)題還有待進(jìn)一步證明。

木材作為“木材-人類(lèi)-環(huán)境”關(guān)系中的重要元素，是一種與環(huán)境互動(dòng)的友好材料。木材能夠利用自身的結構特性來(lái)影響環(huán)境和對環(huán)境狀況進(jìn)行調節，如木材對聲、光的吸收和發(fā)射，對室內溫度、濕度的調節，同時(shí)還具有調節“磁氣”和減少輻射的功用。探索木材與磁場(chǎng)之間的相互作用，發(fā)掘木材生物磁學(xué)的科學(xué)內涵，有助于深化對“木材與環(huán)境”之間關(guān)系的理解，推動(dòng)木材仿生科學(xué)向智能化方向發(fā)展。李堅課題組模仿趨磁細菌的生物礦化過(guò)程，將木材浸泡在鈷鐵金屬離子溶液中，利用木材優(yōu)良的吸濕性，汲取含鐵礦物質(zhì)溶液，隨后在木材細胞腔內礦化合成磁性納米晶，開(kāi)發(fā)了一種在木材細胞壁內原位合成磁性納米顆粒的普適方法[85-87]。利用這種方法制備的磁性木材不僅保持了木材天然的紋理結構、高強重比、易加工和溫濕度調控功能，而且在外界磁場(chǎng)作用下能夠表現出較好的磁力。蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)Keplinger團隊提出了一種微波輔助合成策略，在木材細胞腔內快速合成了超順磁性納米材料，并使木材具有了顯著(zhù)的磁各向異性。進(jìn)一步研究發(fā)現，在木材細胞壁內部形成的Fe3O4納米晶可以形成相互連接的導電網(wǎng)絡(luò )，使磁性木材在外界磁場(chǎng)作用下獲得最大的介電損耗和磁損耗，從而導致磁性木材具有出色的電磁屏蔽性能[88]。東北大學(xué)祝紅麗教授利用木材脫木素過(guò)程，減少木材質(zhì)量，開(kāi)發(fā)出了一種輕質(zhì)的磁性木材，且兼有出色的電磁波吸收性能[89]。

盡管已經(jīng)有部分學(xué)者開(kāi)始關(guān)注木材的磁功能拓展，并研究了磁性納米材料對木材尺寸穩定性、耐候性、阻燃性等性能的影響，但是對木材細胞結構與磁性納米材料之間相互作用機制仍然缺乏科學(xué)的解釋。磁性木材的應用往往也僅僅局限于電磁波吸收，鮮有研究關(guān)注木材的磁-光現象和磁-熱效應[90-91]。

作為物質(zhì)的一項基本屬性，磁性材料不僅可以將電磁能轉換為電能、聲能和機械能，是基礎的能源轉換材料，而且對生物組織的結構和功能有不可替代的影響。目前，關(guān)于磁性木材的研究尚處于起步階段，木材對磁場(chǎng)的感知還停留在被動(dòng)刺激和接受狀態(tài)，缺少對磁場(chǎng)的自主響應和控制。木材細胞結構單元與磁性納米晶的相互作用和協(xié)同增效，木材化學(xué)組分對磁性納米晶成核和生長(cháng)的影響，木材界面與磁性納米材料之間的相容性等諸多科學(xué)問(wèn)題有待深入研究。依托先進(jìn)的表征檢測手段，以構建木質(zhì)材料與磁性納米晶界面為突破口，發(fā)現木材結構之間的磁差異，闡述不同類(lèi)型、不同結構的木材結構引發(fā)的磁響應行為，這不僅有助于開(kāi)發(fā)磁性木材在智能響應領(lǐng)域的新應用，也為科學(xué)合理地解釋木材磁效應提供理論基礎。

木材是一種天然的富含碳質(zhì)的材料，面對國家加速構建高固碳、低排碳的發(fā)展模式，推進(jìn)資源節約型和環(huán)境友好型社會(huì )建設的發(fā)展需求，木材工業(yè)可以通過(guò)減少碳排放和碳封存方式，開(kāi)發(fā)木材一體化利用技術(shù)，提高木質(zhì)資源綜合利用效率。仿生構建木質(zhì)碳材料，延展木材固碳的方式和木材碳化方法，延長(cháng)碳儲存時(shí)間、增加碳吸存量、減少碳排放，是同時(shí)發(fā)揮木材碳庫和碳源的雙重作用，促進(jìn)木材的高效和合理利用，保障國家生態(tài)安全、實(shí)現木材低碳加工和發(fā)展低碳經(jīng)濟的重要方式。

木材主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和少量抽提物組成。纖維素和半纖維素的基本組成單元為葡萄糖，容易碳化[92-93]。基于木材天然的層級結構，具有高糖含量的木材有利于開(kāi)發(fā)具有規則形態(tài)的碳材料[94]。木質(zhì)素在生物質(zhì)材料細胞壁中占比很大，也是地球上僅次于纖維素的第二大主要化學(xué)結構單元。由于木質(zhì)素含有豐富的芳環(huán)結構、脂肪族和芳香族羥基以及醌基等活性基團，且具有自締合和熒光特性，使其可以用作生物質(zhì)基發(fā)光納米材料。此外，多糖和木質(zhì)素均有豐富的羥基官能團，使木材的衍生物易于化學(xué)修飾。成本低、原料來(lái)源廣、功能優(yōu)異、操作手段多樣等這些木材的固有優(yōu)勢，使其可作為制造熒光碳量子點(diǎn)的原材料。

碳量子點(diǎn)是粒徑小于10 nm的納米碳材料，由于其優(yōu)異的水溶性、低毒性、化學(xué)穩定性和熒光性，在生物醫學(xué)、環(huán)境監測、傳感器、能源轉換方面具有廣泛的應用前景[95-97]。常用的碳量子點(diǎn)主要包括半導體量子點(diǎn)、上轉化納米材料和有機染料，以木材衍生物為碳源制備得到木質(zhì)碳量子點(diǎn)，不僅可以有效降低制造成本，實(shí)現木質(zhì)資源的高效利用，而且具有良好的生物相容性、可操作性、熒光發(fā)射穩定性和可持續等諸多優(yōu)點(diǎn)[98]。東北林業(yè)大學(xué)劉守新教授團隊以木質(zhì)纖維素為原材料，通過(guò)一步水熱制備了熒光含氮碳量子點(diǎn)。這種木質(zhì)熒光碳量子點(diǎn)粒徑小于10 nm，且表現出pH敏感性。以木質(zhì)熒光碳量子點(diǎn)作為光敏劑，可以拓寬二氧化鈦的激發(fā)波長(cháng)，使其在可見(jiàn)光下能夠高效降解羅丹明B和苯酚[99]。同樣利用低能耗的水熱法可以制備得到生物質(zhì)基功能材料，如碳量子點(diǎn)復合熒光纖維素水凝膠。水熱處理能夠引發(fā)纖維素分子交聯(lián)，促進(jìn)了水凝膠的形成。水熱過(guò)程在纖維素分子鏈上原位生成了粒徑為2~6 nm的熒光碳量子點(diǎn)[100]。這種碳量子點(diǎn)修飾的水凝膠展示了寬的光譜效應和高熒光穩定性。除此之外，木質(zhì)素由于天然具有熒光性，使用簡(jiǎn)單的分子聚合即可制備得到木質(zhì)素碳量子點(diǎn)。從木質(zhì)纖維素中提取木質(zhì)素分子，在乙醇溶液中利用Π-Π堆集作用促進(jìn)木質(zhì)素分子自組裝，從而制備得到了粒徑尺寸在5~10 nm的熒光碳量子點(diǎn)，并揭示了這種木質(zhì)素碳量子點(diǎn)在近紅外光激發(fā)下出色的光子上轉換發(fā)射效應[101]。孫潤倉教授課題組采用氧化裂解和芳香族化合物融合的方法，以木質(zhì)素為原材料制備了單晶石墨烯碳量子點(diǎn)[102]。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現，木質(zhì)素碳量子具有蜂窩狀石墨結構，且展示了優(yōu)異的上轉化熒光特性和光穩定性。雖然在過(guò)去一段時(shí)間的研究中，利用木質(zhì)生物質(zhì)材料制備熒光碳量子點(diǎn)方面取得了許多成就，但仍需要進(jìn)一步證明木質(zhì)熒光碳量子的發(fā)光機理，提高木質(zhì)碳量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率。

4 展望