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竹材传统加工方式利用率低且未解决结构完整性与可塑性的矛盾。东北林业大学等研究人员开展 “控制局部含水率塑造竹材 3D 结构产品” 研究，制备的成型竹材比强度达 740.58 MPa?kg-1·m3 、抗冲击性 2033.29 J/m，助力碳中和。
在材料科学的广阔天地中，竹材凭借生长迅速、产量高、碳储存能力强等优势，成为极具潜力的可持续材料。然而，竹材的圆柱形结构以及其内部独特的微观构造，却给它在先进工程领域的应用带来了重重阻碍。传统的竹材加工方法，不是利用率低，就是无法解决结构完整性与可塑性之间的矛盾，这使得竹材的高性能化应用之路困难重重。在全球积极推进可持续发展、努力实现碳中和目标的大背景下，如何突破这些障碍，将竹材转变为高性能的工程材料，成为了科研人员亟待攻克的难题。
东北林业大学、武汉大学等多所机构的研究人员勇挑重担，开展了一项极具创新性的研究。他们聚焦于通过控制竹材局部含水率来塑造其三维（3D）结构产品，致力于为竹材的高效利用开辟新的道路。研究结果令人振奋，他们成功制备出的 3D 成型竹材保留了天然的异质结构，比强度高达 740.58 MPa?kg-1·m3 ，抗冲击性达到 2033.29 J/m，远超大多数可再生和不可再生的工程材料。并且，生命周期评估显示，用 3D 成型竹材替代金属和聚合物作为结构材料，能显著减少碳排放。这一成果不仅为竹材资源的开发利用提供了新方向，还为推动环境可持续发展贡献了重要力量，相关论文发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们构建了不均匀干燥的分析模型，通过控制竹材两侧的温度差，实现对水分迁移路径和干燥应力的精准调控。利用扫描电子显微镜（SEM）观察竹材横向细胞在干燥过程中的完整性变化。还借助多种光谱分析技术，如小角 X 射线散射（SAXS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等，深入研究竹材化学组成和结构的变化。
三维成型竹材的设计与制造
研究人员采用部分脱木质素、不均匀干燥和压缩成型三步法实现竹材 360° 横向旋转的结构转变。脱木质素优化了细胞壁结构，为横向细胞变形创造了空间。通过调节竹材两侧的不对称温度，实现水分的定向蒸发和迁移，进而控制干燥应力，促使细胞变形。构建的分析模型量化了不均匀干燥过程中水分和内应力的分布，结果表明随着干燥进行，竹材内部应力方向改变，诱导了横向变形。在纤维饱和点（FSP）进行压缩成型，能保留竹材天然异质结构，实现多种形状加工。
成型竹材的机械性能
考虑到工程材料的形状要求，研究人员将成型竹材加工成多种形状。测试发现，成型竹材保留异质结构，增强了竹材宏观纤维间的结合强度，拉伸强度从天然竹材的 193.7 MPa 提升到 875.4 MPa，弯曲强度从 173.6 MPa 提升到 375.3 MPa，压缩强度从 73.7 MPa 提升到 102.7 MPa，抗冲击性从 988.1 J/m 提升到 2033.3 J/m ，密度为 1209 - 1315 kg/m。与其他材料相比，成型竹材比刚度接近先进材料，比强度高且价格低廉，在高湿度环境下尺寸稳定性良好。
成型竹材的化学和氢键结合机制
不均匀干燥使竹材收缩更明显，致密化后孔隙减少。SAXS 结果显示成型竹材的 Q 值降低，2D SAXS 图像表明纤维素微纤丝排列更有序。脱木质素增加了纤维素微纤丝的表面积，增强了纤维间相互作用，氢键密度增大。从天然竹材到成型竹材，自由羟基数量增加，结晶度提高，化学处理保留了纤维素分子结构。
三维成型竹材的环境效益
生命周期评估表明，生产 1 kg 成型竹材的碳排放为 5.24 kg CO2 eq，二氧化硫排放为 0.0256 kg SO2 eq，相比常见建筑材料，有效降低了能源和资源消耗。与合金、钢铁等可回收材料相比，成型竹材在几乎所有环境影响类别中表现更优，尤其在化石资源稀缺、淡水生态毒性等方面优势明显。此外，成型竹材成本效益高，在轻量化结构应用中竞争力强。
研究结论表明，通过不均匀干燥技术控制竹材横向层含水率，能成功将天然竹材模塑成多功能结构材料。该技术克服了竹材横向细胞成型的难题，生产和使用过程中排放低，成本效益高且尺寸稳定性好，在结构和非结构应用中潜力巨大。这一研究为竹材在高性能工程材料领域的广泛应用奠定了坚实基础，为实现全球可持续发展目标提供了新的材料解决方案，有望推动材料科学和环境科学领域的进一步发展。
