当前木材强化技术普遍依赖高污染化学法（如碱/酸脱木素）或能耗密集型工艺，不仅产生大量废弃物，更导致木材固有强度损失。开发兼顾高性能、低污染的生物质结构材料成为可持续发展迫切需求。阴沉木是一类具有高强度、致密结构及高价值的材料，同时兼具优异的固碳效果。然而其自然形成过程需经历上千年，这大大制约其规模化使用。

  受阴沉木在厌氧高压下经微生物千年作用形成高密度结构的自然机制启发，团队创新性提出一种生物辅助细胞壁工程策略，通过“生物-机械化学处理”两步工艺，把天然木材直接转化为生物强化木材（Bio-Strong-Wood），该生物强化木材具有类似阴沉木的致密化结构、深色的质地、高强度及良好固碳效果，但其形成过程仅需几天，与阴沉木天然形成过程相比快了十万倍。具体“生物-机械化学处理”创制步骤包括：1）选用白腐真菌在30℃下精准调控4天生物处理，通过过氧化物酶协同自由基反应选择性“剪断”木质素，控制木质素降解程度，避免传统脱木素导致的强度损失，实现细胞壁软化而不破坏纤维素；2. 通过高温高压环境诱导解聚的木质素片段再聚合，形成类阴沉木的完全致密化木材—Bio-Strong-Wood。通过验证，该工艺适用于多种树种，且制备的材料具有良好的加工性（图一）。

图1 Bio-Strong-Wood仿生制备原理

图2 Bio-Strong-Wood多尺度形态与结构演化

  通过定量13C NMR与2D HSQC NMR联用技术（引入内标物精准量化），揭示木质素演化全过程：生物处理阶段：β–O–4醚键断裂导致C–O含量从39.2%降至28.3%，产生芥子醇降解中间体；② 热压阶段：中间体经自由基反应重聚，C–C键占比提升40%，芥子醇特征信号完全消失，最终形成“纤维素氢键网络+木质素共价交联” 双增强体系（图3）。

图3 Bio-Strong-Wood中木质素键合网络重构

  Bio-Strong-Wood展现强大的综合性能：1. 抗拉强度达539.8±21.7 MPa（纵向），超天然木材12倍，优于SAE 304不锈钢；2. 满足了高强度和高韧性两种通常相互排斥的特性，断裂韧性34.2 MPa·m^1/2^与铝合金相当，为天然木材的10倍；3. 霍普金森杆动态冲击测试显示能量吸收值达1.39 MJ/m³。性能增益源于三重机制：1. 木射线与纹孔闭合消除木材中原本存在的天然裂纹拓展点；2. 木材导管的坍塌导致细胞壁之间紧密接触，在滑动过程中产生大量摩擦并消耗能量；3. 裂纹沿细胞壁偏转导致能量耗散增加（图4）。

图4 Bio-Strong-Wood力学性能与增强机制

  规模化生产分析显示，Bio-Strong-Wood成本仅2.46元/kg，不足玻璃钢（86.61元/kg）的3%；生命周期评估（LCA）更揭示每公斤材料储存1.17kg CO?，实现负碳排放，其全球变暖潜值（GWP-100）较传统工程材料降低1-2个数量级。此外，在大部分环境指标中，Bio-Strong-Wod都表现对环境的影响更小，符合循环经济战略（图5）。

图5 Bio-Strong-Wood规模化应用效益

  本工作创新性解决了传统木材强化技术的高污染与性能折损矛盾：通过微生物辅助机械化学工艺，在5天内实现天然木材向超强结构材料的绿色转化，其强度超越普通钢材的同时达成负碳排放，为碳中和目标下的生物质高值化利用提供工业级解决方案。研究成果以“A Superstrong, Decarbonizing Structural Material Enabled by Microbe-Assisted Cell Wall Engineering Via a Bio-Mechanochemical Process”为题发表在《Science Advances》上（Science Advances, 2025, 11, eady0183）。武汉大学2024级博士研究生卢梓扬和2021级博士生研究生齐鲁荷为本文的共同第一作者，武汉大学陈朝吉教授和巴斯克大学Erlantz教授为本文共同通讯作者。

  原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady0183

作者介绍：

  陈朝吉，武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师。2015年博士毕业于华中科技大学，2015-2021年分别于华中科技大学与马里兰大学帕克分校从事博士后研究，并于2021年5月入职武汉大学资环学院组建X-Biomass课题组。从事生物质材料（木材、竹材、纤维素、甲壳素等）的多尺度结构设计、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。以第一/通讯作者（含同等贡献）在Nature (2篇)、Science、Nature Reviews Materials (2篇)、Nature Sustainability (2篇)、Nature Communications (9篇)等国内外著名学术期刊上发表SCI论文100余篇，总引用37,000余次，H因子103。获科睿唯安“全球高被引科学家”（2021-2024连续四年入选材料科学领域）、斯坦福大学“全球前2%高被引科学家”终身影响力榜单、麻省理工科技评论亚太区“35岁以下科技创新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖”、“Advanced Science青年科学家创新奖”、“前沿材料青年科学家奖”、阿里巴巴达摩院“青橙优秀入围奖”、“中国新锐科技人物卓越影响奖”、“R&D 100 Awards”、“武汉大学杰出青年”等荣誉。担任The Innovation Materials学术编辑，The Innovation、Research、SusMat、npj Soft Matter、Green Carbon、Carbon Future、Molecules等杂志编委/青年编委，以及中国化学会纤维素专业委员会委员。

  课题组网站：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm