大自然是萬物之母。科技時代，大自然也為仿生人造材料提供了有希望的靈感。

近日，中國科學院金屬瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室副主任張哲峰及其團隊，開發了一種基於單向多孔結構的新型水泥材料，這種新材料的絕妙之處在於，它是可以複製天然木材的創新設計。

圖 | 木質水泥的形成和 3D 建築（來源：Science Advances）

這種木材狀水泥材料的先進之處有二。一是，在相同密度下顯示出了更高的強度，二是，具有多功能特性，可實現有效的隔熱，透水性和易於調節的斥水性。張哲峰及其團隊使這種材料同時具備了高強度和多功能性，從而使這種木質水泥成為有前途的高效能仿木設計新型建築材料。

此外，他們提出了一種簡單的製造程式，以提高批次生產期間的效率，並適用於其他材料系統。

開發受生物啟發，打造天然木材“替代品”

多孔水泥基材料具有較高的吸音效率、較低的隔熱、導熱率、出色的空氣和水滲透性，同時又保持了輕質和耐火性。然而，想要同時提高機械效能和多功能效能（包括機械支撐、有效運輸和良好的隔熱性）仍然是關鍵挑戰。因此，非常需要積極地實現天然木材的設計原理。

在實驗過程中，張哲峰及其團隊受生物的啟發，最終這個難題迎刃而解。

張哲峰及其團隊透過雙向冷凍處理形成具有單向多孔結構的木狀水泥方法。該過程允許在結構的各組成部分之間形成橋樑，然後團隊解凍了完全凍結的物體，直到冰逐漸融化並使水泥硬化。

隨後的水化過程在水泥中產生了新的礦物質和凝膠，包括六角形的氫氧化鈣、針狀鈣礬石和水合矽酸鈣凝膠。

這些元素主要起源於水泥薄片，並且在融化和固化過程中逐漸增長到一定間距，從而在多孔水泥形成過程中透過增強的薄片相互連線而獲得更好的結構完整性。然後，團隊使用X射線斷層掃描（XRT），揭示了在冰樣水泥中單向微孔的形成。

圖 | 木質水泥的微觀結構特徵（來源：Science Advances）

解析單向多孔結構，難題迎刃而解

張哲峰及其團隊使用掃描電子顯微鏡（SEM）影象揭示了冰樣水泥中薄片之間的單向孔隙，該孔隙包含大量橋接薄片的互連。

研究小組將互連分為三類：（1）由於在凍結過程中水泥顆粒吞入冰晶而形成的橋樑和交叉點；（2）六角形氫氧化鈣；（3）針狀鈣礬石。針狀鈣礬石是由於在融化和固化過程中水泥的水合反應而產生的。由於凝膠的脫水和水的去除，在水泥乾燥過程中形成的水泥薄片包含大量的孔。

據悉，該團隊將木質水泥中的孔隙分為三種類型，包括（1）層間開孔，（2）層間開孔和（3）層間閉孔。

圖 | 木質水泥的機械效能（來源：Science Advances）

他們獲得了在新增或不新增矽粉的情況下，木質水泥的典型壓縮應力-應變曲線。

抗壓強度隨著用於開發該材料的漿液中水/水泥比的增加而單調降低，最終導致水泥中孔隙率增加。由於材料的破壞應變，會隨著總孔隙率增加而增加，因此可透過其孔隙率來確定多孔固體的強度。

接下來，研究小組測量了以冰為模板的木質水泥的導熱係數，以顯示導熱係數隨著材料孔隙率的增加而降低。他們還使用紅外（IR）影象清楚地觀察了以冰為模板的水泥材料強大的隔熱效能。

為了調節隔熱效率，張哲峰及其團隊透過增加水/水泥含量來調節水泥漿中的固含量。所得的水泥材料由於其內表面的親水性（吸水性）而吸收了水。

相反，它們可以透過用有機矽試劑使表面防水來防止水滲透到孔隙中。這種對疏水性的努力甚至可能導致材料漂浮在水上。因此，該方法可以作為適於建築材料的透水或防水結構而促進可切換的應用。

圖 | 仿木水泥與天然木材和其他多孔水泥材料的比較（來源：Science Advances）

木質水泥材料前景廣闊

張哲峰及其團隊提出了一種冰模板技術作為一種可行方法，來建立可在陶瓷、聚合物、金屬及其複合材料上使用的單向微孔。科學家基於與水合反應接觸時水泥的自硬化行為，開發了一種凍幹處理工藝。

透過這種新工藝所得的木狀水泥建築，包含了各種開孔或閉孔形式的孔，並有大量相互連線的橋接片狀結構。當孔隙率增加時，水泥的強度降低。木材狀水泥還具有較低的導熱性和良好的透水性。該團隊可以更換水泥分別透過疏水或親水處理而具有疏水性或吸水性的材料。

簡單實用的材料開發策略，再加上其成分的自硬化特性，可以顯著提高冰模板技術的時間和成本效益，以形成可持續的混凝土，並有潛力將該方法轉化為其他材料系統。

根據世界可持續發展商業理事會的資料，水泥生產佔全球人為二氧化碳排放量的百分之九。透過尋找替代方法來製造或完全替代水泥來改變這種狀況，對於某些應用，可能可以使用更少的替代材料，或仍可透過提高結構的整體強度和耐用性，都會減少對環境的影響。

張哲峰及其團隊透過這種新工藝所得的木狀水泥材料，是為可持續發展做出的重要貢獻。