可持续发展
矿物注入复合材料从内部增强木材
世界越来越意识到环境和可持续性，从而促进了生物基复合材料的开发和使用。
这些材料被视为传统不可再生合成纤维（如玻璃和碳纤维增强复合材料）以及钢铁和混凝土等材料的替代品。
过去十年，生物复合材料市场持续增长，从 4.46 年的 2016 亿美元增长到 10 年的 2024 亿美元以上。 预计 随着技术进步加速市场扩张、对轻质高强度材料的需求增加以及世界各国政府积极支持先进生物复合材料的发展，到 215.62 年将达到约 2034 亿美元。
毕竟，生物复合材料比传统复合材料具有许多优势，包括二氧化碳中性、高健康安全性、耐腐蚀、隔热、轻质、低密度和更少的生产能量。
这并不是说生物复合材料没有挑战。实际上，它们面临着许多缺点，例如提取、加工、制造、热稳定性低、电性能差、易燃、表面改性等等。
解决这些挑战并提高生物基复合材料的机械性能意味着研究其复杂的层次结构带来的多尺度力学。
与传统复合材料不同，生物基复合材料的性能受到多个尺度上组分排列的影响，而不仅仅是宏观层面的影响。
例如，木材的机械性能受到细胞壁内和细胞间不同尺度的纤维素、木质素和其他成分的排列的影响。
多尺度力学在此分析材料在不同层面的行为。这包括纳米尺度，它研究单个分子和纳米颗粒之间的相互作用。在微观尺度上，研究纤维、细胞或其他微观成分的排列；而在中观尺度上，研究这些成分的排列如何影响材料的整体性能。在宏观尺度上，分析复合材料的整体行为，例如其刚度。
目前正在进行的执行研究旨在研究和了解生物基复合材料的多尺度力学，为底层结构-性能关系提供独特的见解。
这有助于应对强度、耐久性、可靠性和可持续生产方面的挑战。这将为我们带来轻质、坚韧的下一代材料，并使其具备适应和自我修复的功能。
木材增强的尖端方法
说到生物基复合材料，像木材这样的含纤维素材料因其天然复杂的内部结构而备受关注。此外，全球每年生产大量的木材（约181.5亿吨），是最大的可再生材料来源之一。
随着煤炭、石油和天然气等矿产资源的开采速度不断加快，对生物圈构成威胁，近十年来对木材纳米和微观结构的研究尤为深入。
正如京都大学的研究人员最近指出的那样：
“如果我们能够‘看到’眼睛看不到的东西，我们就能延长木结构的使用寿命，提高建筑行业的可持续性。”
所以这 团队创建了一个有效的方法1 在木材损坏变得无法修复之前，诊断出几乎肉眼不可见的劣化现象。为此，他们将中红外光谱与机器学习相结合，测试了人工风化的木材涂层和含有纤维素纳米纤维的涂层，以提高其耐久性。
这里，使用偏最小二乘法建立模型来预测恶化程度，并结合遗传算法来识别最具信息量的红外信号。
“我们惊讶地发现，非常细微的化学变化——小到无法用肉眼察觉——可以被红外光谱捕捉到，并可以通过模型进行预测。”
– 通讯作者 Yoshikuni Teramoto
与此同时，马里兰大学的一组研究人员采用基因改造杨树的方法来生产高性能结构木材，而不是使用化学药品。他们利用碱基编辑技术，消除了一个名为4CL1的关键基因，使杨树的木质素含量比野生型低12.8%。 白杨树.
在另一项令人兴奋的研究中，莱斯大学和橡树岭国家实验室的材料科学家利用木材废料制造出一种可用于 3D 打印木质物体的墨水。
这项研究使用了木工废弃材料，首先将其切碎成细粉，然后与化学物质混合，分离出木质素和纤维素。这两种元素进一步被分解成纳米纤维和纳米晶体，然后重新组合并加入水中，形成类似粘土的混合物。
所得混合物被用作3D打印机的墨水，然后用于制作一些微型桌椅。采用冷冻干燥法去除产品中的水分，然后在180摄氏度下加热，使两种聚合物融合，从而形成类似木材的物体。
经测试，成品比原木制品耐用六倍，柔韧性三倍。它们甚至闻起来也像天然木材。通过处理 印刷过程，该团队还可以将类似木材的纹理融入到他们的产品中。
用纳米铁强化木材
在所有这些高科技方法中，人们正在探索另一种有前景的低成本、可扩展的木材加固方法。
在这项新研究中，佛罗里达大西洋大学工程与计算机科学学院的研究人员以及迈阿密大学和橡树岭国家实验室的研究人员齐心协力，用纳米晶体水铁矿对橡木进行了改性。
水铁矿（Fh）是一种广泛存在于地表的水合铁氧氢氧化物矿物，是土壤中大多数氧化铁的前体。它是一种结晶性较差的铁氧氢氧化物纳米矿物，以其粒径小、反应表面积大而闻名。
其背后的想法是，如果将坚硬的矿物质以纳米尺度掺入木材细胞壁中，是否会使木材细胞更坚固，同时又不会使材料变得昂贵、沉重或不适合环境。
虽然已有研究探讨了处理过的木材在不同尺度下的性能，但研究并不多，甚至没有一项研究通过直接在木材细胞壁中添加无机矿物质，真正使整块木材变得坚固。据该研究的资深作者、佛罗里达大西洋大学助理教授维维安·默克博士称：
木材与许多天然材料一样，具有复杂的结构，包含不同的层次和不同尺度的特征。为了真正了解木材如何承受荷载并最终失效，必须从不同层面对其进行研究。
因此，研究人员继续研究这个问题，重点关注环孔木材。这种硬木来自阔叶树，例如橡树、胡桃树、樱桃树和枫树，其木材具有大型环状导管，可将水分从根部输送到叶子。
研究人员使用红橡木进行研究，红橡木原产于北美，用于造纸和各种建筑用途。
他们利用一种简单的化学反应，将一种铁化合物引入木材中。硝酸铁与氢氧化钾混合，生成水铁矿。
随后，研究团队研究了复合材料在不同组织层面的机械性能。结果表明，使用纳米晶体羟基氧化铁这种廉价的化学方法，能够增强木材微小的细胞壁，同时仅增加木材的重量。
虽然在木材细胞壁内沉积水铁矿纳米颗粒会增强功能化的次生细胞壁的刚度和硬度，但木材的整体行为保持不变。
因此，提高内部结构的耐久性并不会影响木材弯曲或断裂的方式。这可能是因为处理过程削弱了每个木材细胞之间的连接，从而影响了材料在更大范围内的结合方式。
研究结果表明，通过适当的化学处理，可以增强木材和其他植物基材料的强度，而不会增加其重量或损害环境。这凸显了生物材料未来替代混凝土和钢材的潜力。
生物基复合材料的多尺度分析
鉴于木材等细胞材料是高度组织化的、由承重结构元素组成的分层组装体，能够对微观、中观和宏观尺度的机械刺激做出反应，该团队采用不同的方法详细研究了生物基复合材料的力学性能。Merk 指出：
“为了验证我们的假设——在细胞壁中添加微小的矿物晶体会使细胞壁变得更坚固——我们在纳米尺度和宏观尺度上采用了几种类型的机械测试。”
研究人员使用的工具包括原子力显微镜 (AFM)，这是一种强大的技术，可以对几乎任何类型的表面进行成像，包括陶瓷、复合材料、聚合物、玻璃和生物样本。
研究团队利用原子力显微镜 (AFM) 对木材进行了非常小的规模分析，从而能够测量其弹性和刚度等特性。
具体来说，他们采用了AM-FM（调幅-调频）技术。这种方法使原子力显微镜（AFM）的尖端以两种不同的频率振动，一种频率生成详细的表面图像，另一种频率测量材料的弹性和粘性。这项技术使他们能够精确地观察细胞壁在矿物质处理后如何变化。
该团队还在扫描电子显微镜 (SEM) 内进行了纳米压痕测试，该测试通过使用聚焦电子束扫描表面来生成样本图像，这些电子束与原子相互作用以产生包含有关表面形貌和样本成分信息的各种信号。
在这里，研究人员将微型探针压入木材中，以计算其在不同区域的响应力。
总而言之，他们随后进行了标准机械测试，例如弯曲经过处理和未经处理的木材样品，以检查它们的强度以及它们在压力下如何断裂。
“通过从不同层面观察木材——从细胞壁内的微观结构一直到整块木材——我们能够更多地了解如何通过化学方法改善天然材料以供实际使用。”
– 默克
利用小规模和大规模测试相结合的方式实际上帮助他们了解处理方法如何影响细胞壁内的细节和木材的整体强度。
“这项研究标志着可持续材料科学的重大进步，也是朝着环保建筑和设计迈出的重要一步。”
– Stella Batalama 博士，工程与计算机科学学院院长
她进一步指出，通过采用经济高效且环保的方法来加固天然木材，这项研究为下一代生物基材料奠定了基础，这些材料有可能在桥梁、建筑、地板和家具等结构应用中取代传统材料。她补充道：
“这项工作的影响远远超出了工程领域——它为全球减少碳排放、减少浪费以及为从建筑到大型基础设施等所有领域提供可持续的、受自然启发的解决方案做出了贡献。”
创新型企业
1. Weyerhaeuser公司 (WY -1.56％)
现在，如果我们看看这个领域的杰出创新者，惠好公司（Weyerhaeuser Company）是一家主要的林地所有者和木制品制造商。它在美国拥有或控制着约10.4万英亩的林地，并在加拿大管理着额外的林地。
该公司以完全可持续的方式管理其林地，并对开发生物基材料感兴趣。 惠好公司市值为 18.79 亿美元，目前股价为 25.80 美元，年初至今下跌 7.96%。其每股收益 (TTM) 为 0.50 美元，市盈率 (TTM) 为 51.70 美元，净资产收益率 (TTM) 为 3.71%，股息收益率为 3.24%。
Weyerhaeuser公司 (WY -1.56％)
财务方面，惠好公司报告称，396年净利润为2024亿美元，即每股摊薄收益54美分。全年净销售额为7.1亿美元，较0.6年下降2023亿美元。自然气候解决方案业务业绩强劲，创造了55万美元的营业收入。值得注意的是，该公司仍有望在100年底前实现2025亿美元的调整后息税折旧摊销前利润。
“我们在 2024 年的业绩体现了在充满挑战的市场背景下的稳健执行。”
– 首席执行官 Devin W. Stockfish
在此期间，惠好公司向股东返还了总计735亿美元的现金，其中包括153亿美元的股票回购。几个月前，惠好公司还宣布将基本股息提高5%。这标志着该公司连续第四年提高季度基本股息。
至于其他发展，惠好公司获得了第二个森林碳项目的批准，宣布了一项战略投资，将在阿肯色州建立一个新的工程木制品工厂，并通过在阿拉巴马州的战略交易增强了其南方林地投资组合。
迈入2025年，我们的资产负债表强劲，并已做好充分准备，随着市场环境的改善，充分利用资本。我们将继续专注于实现多年目标，服务客户，并为股东创造长期价值。
– 鳕鱼
1 年第一季度的业绩实际上表明了这一点，净收益为 2025 万美元，即每股 83 美元，净销售额为 0.11 亿美元。
在此期间，其林木部门在西部地区的收费收成和国内销售量均略有增加，而出口销售量则略有下降，尤其是对中国的出口。在房地产、能源和自然资源部门，销售面积有所下降，但每英亩的平均价格却大幅上涨。木材销售实现额有所增加，而原木成本则略有上升。与此同时，工程木产品的销售量有所下降，单位制造成本有所上升。
2. 3M公司 (MMM -0.54％)
该领域的另一个知名公司是 3M 公司，该公司从事先进材料的研究和开发，包括纳米复合材料和生物基系统。
这家多元化科技公司的市值为 74.75 亿美元，股价为 138.91 美元，今年迄今上涨 7.61%。其每股收益 (TTM) 为 8.02，市盈率 (TTM) 为 17.31，净资产收益率 (TTM) 为 94.75%，股息收益率为 2.10%。
3M公司 (MMM -0.54％)
尽管关税和贸易战带来了新的风险，3M 仍维持了全年财务预期，股价应声上涨。该公司实际上受益于 90 天的库存持有期。然而，该公司也承认了这些风险，并概述了应对动荡商业环境的策略，包括优化网络、将生产转移到不同国家，以及可能对某些客户征收附加费。
就在本月，首席执行官比尔·布朗 (Bill Brown) 表示，他们“在美国拥有非常大的业务”，并且正在“非常谨慎地考虑”将更多的制造业引入美国。
3M 拥有数千种消费和工业产品，这使得其业务范围覆盖了广泛的经济领域。因此，1 年第一季度，其销售额下降 1% 至 25 亿美元，调整后持续经营每股收益为 6 美元，均超出预期。
此前，该公司在2024年实现了两位数的盈利增长，期间向股东返还了3.8亿美元。全年调整后每股收益同比增长21%，至7.30美元，销售额下降0.1%，至24.6亿美元，经营现金流入1.8亿美元。
结语
木材是一种重要的自然资源，因其强度、耐用性、可持续性和价格实惠而备受推崇。木材在生物基复合材料中也发挥着关键作用，作为一种可再生和可持续的材料，有潜力在各种应用中取代传统复合材料。
在这里，复杂的植物生物质——木质纤维素至关重要，因为它构成了植物细胞壁的刚性结构，并使木材能够被整合到复合材料中。这种关键的木材成分也可以通过化学改性来制造先进的材料。
最新研究利用纳米颗粒增强木材性能，凸显了分级结构在木材机械性能中的作用。纳米压痕和原子力显微镜证实，纳米颗粒在细胞壁层面的增强能够提升木材的刚度，且不影响其机械性能。这种天然木材增强材料展现了先进生物基材料的潜力，有望助力打造可持续的基础设施和更美好的未来。
参考研究：
1. Soini, SA, Lalani, I., Maron, ML, Gonzalez, D., Mahfuz, H., Domingo-Marimon, N. 和 Merk, V. (2025). 矿物增强木材细胞壁的多尺度力学表征。ACS 应用材料与界面，2025 年。https://doi.org/10.1021/acsami.4c22384
