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基因編輯突破，胡良兵教授團隊打造超級木頭，強度堪比鋁合金！

文章來源：賢集網更新時間：2024-08-16 16:04:50

在材料科學的廣袤領域中，木材這一古老而又常見的材料，正煥發出全新的生機與活力。胡良兵教授和戚益平教授攜手合作，為我們帶來了令人矚目的創新成果——超級木頭。

2024年8月12日，美國馬里蘭大學胡良兵教授（現任職于耶魯大學）和戚益平教授的研究團隊通過運用基因編輯技術減少木材中的木質素含量，實現了無需化學處理的高性能工程木材的制造。胡良兵教授實驗室的Yu Liu博士后和戚益平實驗室的Gen Li博士后為該論文的共同第一作者。

一、基因編輯：超級木頭的誕生密碼

在過往，制造高性能的工程木材通常依賴化學方法來降低木質素含量，以增強其機械性能。然而，這種方法存在諸多弊端，如能耗高、材料消耗大以及產生大量廢棄物，給環境造成沉重負擔。

胡良兵和戚益平的研究團隊另辟蹊徑，運用基因編輯技術，靶向楊樹中的 4CL1 基因，引入提前終止密碼子，成功減少了木質素含量，降幅達到 12.8%。這一創新性的方法，為無需化學處理的高性能工程木材的制造打開了全新的大門。

經過基因編輯后的木材，在經過簡單的水浸泡和高溫熱壓處理后，展現出驚人的抗拉強度，高達 313.6 ± 6.4 MPa，可與鋁合金 6061 相媲美，且與傳統化學處理后的壓縮木材強度相近。這意味著基因編輯技術不僅實現了與傳統方法相當的效果，還避免了化學處理帶來的環境污染。

二、深入探究：超級木頭的微觀奧秘

通過拉曼光譜和 2D-HSQC NMR 光譜的精細分析，研究團隊發現基因編輯不僅降低了木質素含量，還改變了其在木材細胞壁的分布，尤其是在細胞角落，木質素的含量顯著減少。這種結構上的調整，為木材在壓縮過程中形成更致密的結構奠定了基礎，進而大幅提升了機械性能。

掃描電子顯微鏡（SEM）的觀察結果顯示，基因編輯過程并未對木材的微觀結構，如纖維細胞的孔隙大小、導管直徑和細胞壁厚度等產生顯著影響。這一發現進一步證明了基因編輯技術在精準調控木質素的同時，最大程度地保留了木材原有的物理性質。

在實驗中，研究團隊對基因編輯后的木材在自然狀態和壓縮狀態下的力學性能進行了詳細對比。結果令人振奮，基因編輯后的木材在壓縮后，抗拉強度顯著提高，達到未壓縮前的 5.6 倍，而傳統方法壓縮的木材僅提高了 2.6 倍。壓縮后的基因編輯木材的抗拉強度比傳統方法壓縮的木材高出約 1.6 倍。

三、胡良兵教授憑啥被稱為“木頭大王”？

胡良兵教授，作為材料科學領域的杰出學者，以其在木材研究及相關領域的卓越成就而備受矚目。他的一系列研究成果不僅展現了木材的巨大潛力，還為眾多領域帶來了新的發展機遇。

1、基因編輯超級木頭：

通過運用基因編輯技術靶向楊樹中的 4CL1 基因并引入提前終止密碼子，成功減少了木質素含量達 12.8%。經簡單水浸泡和高溫熱壓處理后，這種基因編輯后的木材抗拉強度高達 313.6 ± 6.4 MPa，可與鋁合金 6061 相媲美，與傳統化學處理后的壓縮木材強度相近。例如，在壓縮后，其抗拉強度可達未壓縮前的約 5.6 倍，而傳統方法壓縮的木材僅提高約 2.6 倍，壓縮后的基因編輯木材抗拉強度比傳統壓縮木材高出約 1.6 倍。

2、可擴展的美學透明木材

胡良兵教授通過巧妙的化學處理和復合材料加工工藝，研發出了可擴展的美學透明木材。這種木材不僅具有較高的透光率，而且重量輕、導熱系數低、機械強度高。它的制備基于天然木材的特性，通過特定溶液的化學處理去除部分成分并浸漬聚合物，呈現出獨特的美學效果，同時具備紫外線阻隔、堅硬、隔熱、環保等特性。

3、3D 成型木材

通過對木材細胞壁的精心工程處理，胡良兵教授成功將硬木平板轉化為多功能的 3D 結構。這種 3D 成型木材強度是原始木材的六倍，可與鋁合金相當，并且能夠被加工成各種復雜形狀，如鋸齒形、波紋形、星形等。該方法既保留了木材的自然層次結構和各向異性結構，又大大提升了其強度和可塑形，拓寬了木材作為結構材料在建筑和交通等領域的應用潛力。

此外，他在將木材轉化為固態電解質等方面也有重要成果，通過特定的方法改變纖維素的晶體結構，實現了鋰離子的快速傳輸。

胡良兵教授的研究成果涵蓋了木材的多個方面，不斷挖掘和拓展了木材的性能和應用邊界，這些創新性的工作使得他在木材研究領域獲得了廣泛的認可和贊譽，“木頭大王”的稱號也由此而來。

四、展望未來：超級木頭的廣闊前景

胡良兵和戚益平教授的研究成果為木材工程領域帶來了革命性的突破，展示了基因編輯在木材工程中的巨大潛力。隨著基因編輯技術的不斷發展和完善，超級木頭有望在全球范圍內廣泛應用于建筑、交通、航空航天等眾多領域，推動材料科學的可持續發展，為應對全球氣候變化和實現碳中和目標發揮重要作用。

胡良兵教授和戚益平教授的合作研究，為我們開啟了木材工程的新時代。超級木頭的誕生，不僅是科學技術的勝利，更是人類智慧與自然材料完美結合的典范。相信在未來，他們將繼續引領材料科學的發展，為我們創造更多的奇跡。

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