Using Cellulose Nanofibers as the Sole Binder for Cement-Free Construction Materials
本研究证明了使用纤维素纳米晶体作为无水泥砂复合材料唯一粘结剂的可行性，该材料展现出具有夯土级抗压强度且在干湿循环下完全可逆的特性，为开发轻质、低碳及可回收的非结构性建筑材料提供了一条极具前景的途径。
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混凝土是地球上应用最广泛的建筑材料，构成了我们城市、道路和桥梁的骨架。然而，制造混凝土的过程却让地球付出了沉重的代价。制造被称为水泥（将混凝土粘合在一起的粘性浆料）的过程会释放大量的二氧化碳。这是因为原材料必须被加热到极高的温度，且化学反应本身也会释放气体。随着世界的不断建设，对这种材料的需求预计将大幅上升，从而扩大了建筑需求与实现清洁大气目标之间的差距。几十年来，科学家们一直在寻找用一种从土地中生长出来的物质来取代水泥的方法，而不是通过开采和焚烧，但寻找一种足够坚固以支撑建筑物的替代品一直难以实现。
在一项新的研究中，研究人员采取了大胆的步骤来解决这个问题，他们证明了木纤维可以完全取代水泥来与沙子混合。他们不仅仅是在混凝土中加入少量的木材，而是完全去除了水泥，仅使用纤维素纳米纤维来粘合沙子。这些纤维是从木材中提取出的微小纤维束，细微到肉眼无法看见，但它们具有一种天然的紧密粘合能力。研究人员将这些纤维与沙子按不同比例混合，干燥混合物，并测试由此产生的块体承重能力如何。他们的工作证明，完全不使用水泥也能创造出固体材料，为开发轻质、低碳且具有潜在回收性的非结构性材料开辟了一条路径。
团队首先准备了十二种不同的混合物，通过改变木纤维的数量和沙子的类型，观察哪种组合效果最好。他们发现，需要一定量的纤维才能将沙粒固定在一起；如果纤维过少，混合物在干燥时就会碎裂。一旦超过了这个阈值，混合物就能形成可以搬运和测试的固体块。最坚固的块体含有最高含量的纤维，能够承受近 3.73 兆帕的压力。虽然这还不足以支撑摩天大楼的重量，但它与夯土或土坯（数千年来用于建造墙壁和房屋的材料）相当。这表明这种新材料非常适合非结构性应用，例如花园边缘块、步道瓷砖或室内隔断。
该研究的一个关键发现是理解这些块体是如何结合在一起的。与通过不可逆化学反应产生永久石状结构的硬化水泥不同，木纤维是通过被称为氢键的物理作用力进行结合的。这些是存在于亲水性纤维分子之间的微弱吸引力。由于这些键依赖于纤维之间的紧密接触和干燥状态，因此块体在遇水时会几乎丧失所有的强度。当研究人员将块体浸泡在水中时，它们变得柔软且脆弱，失去了大约 95% 的承重能力。然而，这种材料展现出了卓越的自我修复能力。当研究人员再次将湿润的块体晾干时，它们不仅恢复了原始强度，甚至比之前变得更强了。这种变湿再变干的过程使得纤维能够重新排列成一个更紧密、更高效的网络，证明了其结合过程是可逆的物理过程而非化学过程。
研究人员还观察到，块体的制造方式会影响其强度。当混合物被压制成块时，微小的纤维会朝着特定方向排列，就像一叠平放在桌上的铅笔一样。这创造出了一种在某个方向受压比另一个方向更强的材料。此外，他们发现块体的密度并不像传统混凝土那样能预示其强度。在这种新材料中，拥有更多的纤维意味着块体更轻但也更强，因为额外的纤维在沙粒之间创造了更多的键结。研究还表明，在块体表面涂抹防水涂层可以显著减少其吸水量，为解决其在潮湿环境下的弱点提供了潜在的解决方案。
通过观察块体的微观结构，研究人员看到纤维起到了网状的作用。在纤维较少的混合物中，纤维束仅仅是跨越了单个沙粒之间的间隙。而在纤维较多的混合物中，纤维束形成了一层连续且致密的薄膜，完全包裹在沙粒周围，创造了一个坚实的基质。这种从少数连接桥梁到全覆盖涂层的转变，解释了为什么材料会随着纤维含量的增加而变得更加坚固。研究结论指出，虽然这种材料目前还无法取代高层建筑中的混凝土，但它为许多日常建筑需求提供了一种可行的、低碳的替代方案。它代表了一种思维的转变，表明建筑的未来可能不需要过去那种高碳排放的化学工艺，而是可以依靠木纤维这种简单、可再生的力量来维系世界。
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