构建晶态-非晶态复合结构是解决材料高强度与高韧性之间的内在冲突的有效途径。然而，构建晶态-非晶态界面仍面临化学不兼容和操作能耗高等诸多挑战。自然界中，如蜘蛛丝和珍珠贝等材料展现的晶态-非晶态结构，以其卓越的机械性能为人工材料设计提供了启发。木材具有天然的结晶-无定形两相结构，为通过调整三大素组分提升其机械性能提供了途径。然而，木材中组分间的相互作用机制复杂，且现存力学增强方法在能源消耗和环境友好性方面仍存在局限性。因此，开发高效、环保的木材增强技术，研究其力学失效原理，对开发高性能木质功能材料具有重要意义。
近年来，甘文涛教授团队围绕木材细胞壁精细结构调控与仿生功能化开展了一系列研究工作（Nat. Sustain., 2022;Adv. Mater., 2024等）。本研究提出了一种简便易行的两相结构调控策略，旨在选择性去除木材细胞壁中的无定形木质素和部分半纤维素，保留高结晶度的纤维素结构，同步实现纤维素微纤维的润胀和纳米纤维的预解离。借助大气干燥过程中水分子蒸发产生的弹性毛细管力促使纤维素纳米纤维重新排列聚集，增强了其横向键合作用，从而形成了高结晶度的致密化木材薄膜。改良木材的抗拉强度高达530.89 ± 17.60 MPa，并表现出优异的可折叠性。粗粒化分子动力学模拟揭示了木材细胞壁内晶态和非晶态区域在变形过程中的潜在运动机制和木材薄膜在张力作用下的破坏行为。生命周期评价结果显示这种基于木材细胞壁组分的两相纳米结构调控策略，展示了环境友好性和低碳特点，为木材细胞壁精细结构调控和高性能木质功能材料开发提供了基础。
该论文在理论计算方面得到了马里兰大学李腾教授团队的支持，该研究得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、黑龙江省科技厅等项目的支持。
细胞壁两相结构调控制备高强度木材薄膜示意图和材料的综合性能对比
论文链接：DOI: 10.1126/sciadv.ado5142
