木材衍生的生物炭达到类钢强度，揭示自然结构如何引领下一代碳材料设计。

木材，长久以来因其自然之美与强度备受推崇，如今启发研究人员创造出一种足以与钢材媲美的坚固碳材料。

多伦多大学的研究人员发现，如果在特定方向上测量，由木材制成的生物炭可以达到与低碳钢相当的硬度水平。

他们的新研究表明，测试生物炭的方向不同，其硬度变化可超过二十八倍，这揭示了木材的内部结构如何影响碳化材料的性能。

这一发现可能为能源设备、过滤器和结构系统领域开启可持续碳材料的新纪元。

生物炭是一种通过在无氧条件下加热生物质产生的富碳固体，传统上其价值主要体现在改良土壤和净化污染物方面。

但其机械性能潜力大多未被探索。这项研究彻底颠覆了这一观念，将生物炭定位为不仅是环境材料，更是未来绿色工程的构建基元。

该研究聚焦于整体式生物炭，即保留了木材原始纹理和孔隙结构的固态碳化木块。研究人员发现，这些结构是其卓越强度和方向性硬度的关键。

自然界的碳材料蓝图

在绿色技术实验室的 Charles Jia 教授带领下，团队测试了七种木材（包括枫木、松木、竹子和非洲铁木）制备的生物炭。

样品在 600°C 至 1000°C 的温度下加热，温度和木材种类在决定强度方面均扮演重要角色。

非洲铁木生物炭的轴向硬度达到了 2.25 吉帕斯卡，与低碳钢相当。而铁杉木生物炭则表现出极端的定向差异，其顺纹方向的硬度超出横纹方向 28.5 倍。

利用微米和纳米压痕技术，团队在多个尺度上测量了硬度。他们发现，这种显著的各向异性（或称方向依赖性行为）并非源于碳本身，而是源于木材错综复杂的孔隙网络。

在纳米尺度上，所有样品的硬度几乎相同，这表明细胞壁的特性在不同树种和方向上保持一致。

从废弃物到神奇材料

研究人员还发现硬度、体积密度和碳含量之间存在强相关性。具有更高碳含量的、更致密的生物炭更能抵抗变形，这为通过选择原料和控制热解条件来定制性能提供了路线图。

"这些发现表明，生物炭不仅仅是一种环境材料，它还是一种结构材料，"Jia 教授说。

"通过保留木材的自然结构，我们可以设计出具有目标机械性能的可持续碳材料，适用于特定的工业应用。"

潜在的应用范围广泛，从能源系统中的高强度电极，到轻质复合材料和定向流动过滤器。

工程师们有可能设计出在一个方向上坚硬、而在另一个方向上柔韧的材料，从而模拟天然木材的性能。

通过解码木材隐藏的结构，这项研究首次为设计具有可预测机械性能的整体式生物炭提供了定量框架，连接了材料科学与可持续发展的世界。

该研究发表在《Biochar X》期刊上。

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