當前木材強化技術普遍依賴高污染化學法（如堿/酸脫木素）或能耗密集型工藝，不僅產生大量廢棄物，更導致木材固有強度損失。開發兼顧高性能、低污染的生物質結構材料成為可持續發展迫切需求。陰沉木是一類具有高強度、致密結構及高價值的材料，同時兼具優異的固碳效果。然而其自然形成過程需經歷上千年，這大大制約其規模化使用。
受陰沉木在厭氧高壓下經微生物千年作用形成高密度結構的自然機制啟發，團隊創新性提出一種生物輔助細胞壁工程策略，通過“生物-機械化學處理”兩步工藝，把天然木材直接轉化為生物強化木材（Bio-Strong-Wood），該生物強化木材具有類似陰沉木的致密化結構、深色的質地、高強度及良好固碳效果，但其形成過程僅需幾天，與陰沉木天然形成過程相比快了十萬倍。具體“生物-機械化學處理”創制步驟包括：1）選用白腐真菌在30℃下精準調控4天生物處理，通過過氧化物酶協同自由基反應選擇性“剪斷”木質素，控制木質素降解程度，避免傳統脫木素導致的強度損失，實現細胞壁軟化而不破壞纖維素；2. 通過高溫高壓環境誘導解聚的木質素片段再聚合，形成類陰沉木的完全致密化木材—Bio-Strong-Wood。通過驗證，該工藝適用于多種樹種，且制備的材料具有良好的加工性（圖一）。
圖1 Bio-Strong-Wood仿生制備原理
與掃描電鏡（SEM）三維重建顯示：材料細胞腔完全塌陷，孔隙率降低75%（圖3B），密度從0.42 g/cm3增至1.30 g/cm3（圖S9）。廣角X射線散射（WAXS）結合方程計算證實：纖維素Iβ晶型完整性保留，結晶度從58%提升至63%，微晶尺寸在垂直于(200)晶面方向有所增大，分子鏈取向指數從0.55增至0.63，形成高度有序的納米纖維網絡。ATR-IR光譜量化顯示O(6)H···O(3'''')氫鍵占比顯著提升（43.1% vs 27.8%），為力學強化奠定多級結構基礎（圖2）。
圖2 Bio-Strong-Wood多尺度形態與結構演化
通過定量13C NMR與2D HSQC NMR聯用技術（引入內標物精準量化），揭示木質素演化全過程：生物處理階段：β–O–4醚鍵斷裂導致C–O含量從39.2%降至28.3%，產生芥子醇降解中間體；② 熱壓階段：中間體經自由基反應重聚，C–C鍵占比提升40%，芥子醇特征信號完全消失，最終形成“纖維素氫鍵網絡+木質素共價交聯” 雙增強體系（圖3）。
圖3 Bio-Strong-Wood中木質素鍵合網絡重構
Bio-Strong-Wood展現強大的綜合性能：1. 抗拉強度達539.8±21.7 MPa（縱向），超天然木材12倍，優于SAE 304不銹鋼；2. 滿足了高強度和高韌性兩種通常相互排斥的特性，斷裂韌性34.2 MPa·m^1/2^與鋁合金相當，為天然木材的10倍；3. 霍普金森桿動態沖擊測試顯示能量吸收值達1.39 MJ/m3。性能增益源于三重機制：1. 木射線與紋孔閉合消除木材中原本存在的天然裂紋拓展點；2. 木材導管的坍塌導致細胞壁之間緊密接觸，在滑動過程中產生大量摩擦并消耗能量；3. 裂紋沿細胞壁偏轉導致能量耗散增加（圖4）。
圖4 Bio-Strong-Wood力學性能與增強機制
規模化生產分析顯示，Bio-Strong-Wood成本僅2.46元/kg，不足玻璃鋼（86.61元/kg）的3%；生命周期評估（LCA）更揭示每公斤材料儲存1.17kg CO?，實現負碳排放，其全球變暖潛值（GWP-100）較傳統工程材料降低1-2個數量級。此外，在大部分環境指標中，Bio-Strong-Wod都表現對環境的影響更小，符合循環經濟戰略（圖5）。
圖5 Bio-Strong-Wood規模化應用效益
本工作創新性解決了傳統木材強化技術的高污染與性能折損矛盾：通過微生物輔助機械化學工藝，在5天內實現天然木材向超強結構材料的綠色轉化，其強度超越普通鋼材的同時達成負碳排放，為碳中和目標下的生物質高值化利用提供工業級解決方案。研究成果以“A Superstrong, Decarbonizing Structural Material Enabled by Microbe-Assisted Cell Wall Engineering Via a Bio-Mechanochemical Process”為題發表在《Science Advances》上（Science Advances, 2025, 11, eady0183）。武漢大學2024級博士研究生盧梓揚和2021級博士生研究生齊魯荷為本文的共同第一作者，武漢大學陳朝吉教授和巴斯克大學Erlantz教授為本文共同通訊作者。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady0183
作者介紹：
陳朝吉，武漢大學資源與環境科學學院教授、博士生導師。2015年博士畢業于華中科技大學，2015-2021年分別于華中科技大學與馬里蘭大學帕克分校從事博士后研究，并于2021年5月入職武漢大學資環學院組建X-Biomass課題組。從事生物質材料（木材、竹材、纖維素、甲殼素等）的多尺度結構設計、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解決可持續發展面臨的材料-能源-環境挑戰。以第一/通訊作者（含同等貢獻）在Nature (2篇)、Science、Nature Reviews Materials (2篇)、Nature Sustainability (2篇)、Nature Communications (9篇)等國內外著名學術期刊上發表SCI論文100余篇，總引用37,000余次，H因子103。獲科睿唯安“全球高被引科學家”（2021-2024連續四年入選材料科學領域）、斯坦福大學“全球前2%高被引科學家”終身影響力榜單、麻省理工科技評論亞太區“35歲以下科技創新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中國化學會纖維素專業委員會青年學者獎”、“Advanced Science青年科學家創新獎”、“前沿材料青年科學家獎”、阿里巴巴達摩院“青橙優秀入圍獎”、“中國新銳科技人物卓越影響獎”、“R&D 100 Awards”、“武漢大學杰出青年”等榮譽。擔任The Innovation Materials學術編輯，The Innovation、Research、SusMat、npj Soft Matter、Green Carbon、Carbon Future、Molecules等雜志編委/青年編委，以及中國化學會纖維素專業委員會委員。
課題組網站：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm
- 上海科技大學左智偉科研團隊Science論文：光能+廉價稀土金屬=室溫甲烷綠色轉化新途徑 2018-07-29
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