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基因編輯突破，胡良兵教授團(tuán)隊(duì)打造超級(jí)木頭，強(qiáng)度堪比鋁合金！
文章來(lái)源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-08-16 16:04:50
在材料科學(xué)的廣袤領(lǐng)域中，木材這一古老而又常見(jiàn)的材料，正煥發(fā)出全新的生機(jī)與活力。胡良兵教授和戚益平教授攜手合作，為我們帶來(lái)了令人矚目的創(chuàng)新成果——超級(jí)木頭。



2024年8月12日，美國(guó)馬里蘭大學(xué)胡良兵教授（現(xiàn)任職于耶魯大學(xué)）和戚益平教授的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)運(yùn)用基因編輯技術(shù)減少木材中的木質(zhì)素含量，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需化學(xué)處理的高性能工程木材的制造。胡良兵教授實(shí)驗(yàn)室的Yu Liu博士后和戚益平實(shí)驗(yàn)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(jí)木頭的誕生密碼



在過(guò)往，制造高性能的工程木材通常依賴化學(xué)方法來(lái)降低木質(zhì)素含量，以增強(qiáng)其機(jī)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(chǎn)生大量廢棄物，給環(huán)境造成沉重負(fù)擔(dān)。



胡良兵和戚益平的研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，運(yùn)用基因編輯技術(shù)，靶向楊樹(shù)中的 4CL1 基因，引入提前終止密碼子，成功減少了木質(zhì)素含量，降幅達(dá)到 12.8%。這一創(chuàng)新性的方法，為無(wú)需化學(xué)處理的高性能工程木材的制造打開(kāi)了全新的大門(mén)。





經(jīng)過(guò)基因編輯后的木材，在經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的水浸泡和高溫?zé)釅禾幚砗螅宫F(xiàn)出驚人的抗拉強(qiáng)度，高達(dá) 313.6 ± 6.4 MPa，可與鋁合金 6061 相媲美，且與傳統(tǒng)化學(xué)處理后的壓縮木材強(qiáng)度相近。這意味著基因編輯技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)方法相當(dāng)?shù)男Ч€避免了化學(xué)處理帶來(lái)的環(huán)境污染。



二、深入探究：超級(jí)木頭的微觀奧秘



通過(guò)拉曼光譜和 2D-HSQC NMR 光譜的精細(xì)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)基因編輯不僅降低了木質(zhì)素含量，還改變了其在木材細(xì)胞壁的分布，尤其是在細(xì)胞角落，木質(zhì)素的含量顯著減少。這種結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，為木材在壓縮過(guò)程中形成更致密的結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)而大幅提升了機(jī)械性能。



掃描電子顯微鏡（SEM）的觀察結(jié)果顯示，基因編輯過(guò)程并未對(duì)木材的微觀結(jié)構(gòu)，如纖維細(xì)胞的孔隙大小、導(dǎo)管直徑和細(xì)胞壁厚度等產(chǎn)生顯著影響。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證明了基因編輯技術(shù)在精準(zhǔn)調(diào)控木質(zhì)素的同時(shí)，最大程度地保留了木材原有的物理性質(zhì)。

                                                                  

在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)基因編輯后的木材在自然狀態(tài)和壓縮狀態(tài)下的力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。結(jié)果令人振奮，基因編輯后的木材在壓縮后，抗拉強(qiáng)度顯著提高，達(dá)到未壓縮前的 5.6 倍，而傳統(tǒng)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(qiáng)度比傳統(tǒng)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(xué)領(lǐng)域的杰出學(xué)者，以其在木材研究及相關(guān)領(lǐng)域的卓越成就而備受矚目。他的一系列研究成果不僅展現(xiàn)了木材的巨大潛力，還為眾多領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。



1、基因編輯超級(jí)木頭：



通過(guò)運(yùn)用基因編輯技術(shù)靶向楊樹(shù)中的 4CL1 基因并引入提前終止密碼子，成功減少了木質(zhì)素含量達(dá) 12.8%。經(jīng)簡(jiǎn)單水浸泡和高溫?zé)釅禾幚砗螅@種基因編輯后的木材抗拉強(qiáng)度高達(dá) 313.6 ± 6.4 MPa，可與鋁合金 6061 相媲美，與傳統(tǒng)化學(xué)處理后的壓縮木材強(qiáng)度相近。例如，在壓縮后，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)未壓縮前的約 5.6 倍，而傳統(tǒng)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(qiáng)度比傳統(tǒng)壓縮木材高出約 1.6 倍。



2、可擴(kuò)展的美學(xué)透明木材



胡良兵教授通過(guò)巧妙的化學(xué)處理和復(fù)合材料加工工藝，研發(fā)出了可擴(kuò)展的美學(xué)透明木材。這種木材不僅具有較高的透光率，而且重量輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高。它的制備基于天然木材的特性，通過(guò)特定溶液的化學(xué)處理去除部分成分并浸漬聚合物，呈現(xiàn)出獨(dú)特的美學(xué)效果，同時(shí)具備紫外線阻隔、堅(jiān)硬、隔熱、環(huán)保等特性。



3、3D 成型木材



通過(guò)對(duì)木材細(xì)胞壁的精心工程處理，胡良兵教授成功將硬木平板轉(zhuǎn)化為多功能的 3D 結(jié)構(gòu)。這種 3D 成型木材強(qiáng)度是原始木材的六倍，可與鋁合金相當(dāng)，并且能夠被加工成各種復(fù)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(jié)構(gòu)和各向異性結(jié)構(gòu)，又大大提升了其強(qiáng)度和可塑形，拓寬了木材作為結(jié)構(gòu)材料在建筑和交通等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。



此外，他在將木材轉(zhuǎn)化為固態(tài)電解質(zhì)等方面也有重要成果，通過(guò)特定的方法改變纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)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(gè)方面，不斷挖掘和拓展了木材的性能和應(yīng)用邊界，這些創(chuàng)新性的工作使得他在木材研究領(lǐng)域獲得了廣泛的認(rèn)可和贊譽(yù)，“木頭大王”的稱號(hào)也由此而來(lái)。



四、展望未來(lái)：超級(jí)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(lǐng)域帶來(lái)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(shù)的不斷發(fā)展和完善，超級(jí)木頭有望在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于建筑、交通、航空航天等眾多領(lǐng)域，推動(dòng)材料科學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)發(fā)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(kāi)啟了木材工程的新時(shí)代。超級(jí)木頭的誕生，不僅是科學(xué)技術(shù)的勝利，更是人類智慧與自然材料完美結(jié)合的典范。相信在未來(lái)，他們將繼續(xù)引領(lǐng)材料科學(xué)的發(fā)展，為我們創(chuàng)造更多的奇跡。

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