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  溫室氣體排放引起的氣候變化對(duì)人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)性發(fā)展構(gòu)成了越來(lái)越大的威脅。全球二氧化碳排放總量每年約為 360 億噸，主要來(lái)自化石燃料的燃燒。與1901年至1960 年期間相比，1986 年至 2016 年期間全球年平均氣溫上升了 0.7 攝氏度以上。此外，石油等化石燃料是不可再生的，需要數(shù)億年的時(shí)間才能形成，開(kāi)發(fā)和使用碳足跡低甚至為負(fù)的可再生材料，是應(yīng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)、構(gòu)建綠色未來(lái)的重要舉措。2020 年，整個(gè)建筑行業(yè)，包括建筑材料和運(yùn)行管理，排放了約 119 億噸的二氧化碳，占全球二氧化碳總排放量的37%，是排放占比最大的門(mén)類(lèi)。設(shè)計(jì)節(jié)能環(huán)保的綠色建筑，一方面依賴(lài)于新型固碳材料的開(kāi)發(fā)，另一方面依賴(lài)于實(shí)現(xiàn)建筑材料的多功能化，以同時(shí)滿足建筑應(yīng)用多方面的需求。

  地球上有約3萬(wàn)億棵樹(shù)（相當(dāng)于每人約400棵），森林覆蓋了地球上30％以上的土地，并提供了可再生和可持續(xù)的資源。木材已經(jīng)被人類(lèi)社會(huì)在一些領(lǐng)域使用了數(shù)千年，包括建筑、家具、工具以及用作燃料。2001 年至 2019 年，全球森林每年從大氣中吸收約 156 億噸二氧化碳。政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì) (IPCC) 報(bào)告和《巴黎協(xié)定》都強(qiáng)調(diào)了促進(jìn)森林保護(hù)和增加森林碳儲(chǔ)量以實(shí)現(xiàn)人為凈零排放的重要性。作為一種來(lái)源豐富的可再生材料，木材在人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展中扮演不可或缺的角色，特別是在廣泛的產(chǎn)品和應(yīng)用中替代不可再生的石油基材料。多種因素推動(dòng)了木材的廣泛使用，包括減少碳排放，緩解能源和水安全的危機(jī)，以及對(duì)可持續(xù)工業(yè)增長(zhǎng)的渴望。由于來(lái)源豐富，木材可以很好地滿足社會(huì)對(duì)低成本和高性能復(fù)合材料的需求，并且對(duì)環(huán)境的影響非常小。

圖1.新型建筑應(yīng)用木材基功能材料的設(shè)計(jì)及對(duì)環(huán)境的影響

圖2.木材的化學(xué)改性方法

  鑒于在木材基功能材料領(lǐng)域的一系列開(kāi)創(chuàng)性工作，近日，馬里蘭大學(xué)胡良兵教授（通訊作者）、李騰教授和胡明教授，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院IngoBurgert教授，威斯康星大學(xué)潘學(xué)軍教授，耶魯大學(xué)姚元教授，USDA J.Y. Zhu博士等國(guó)際木材科學(xué)領(lǐng)域的專(zhuān)家共同合作在Chemical Reviews上撰寫(xiě)了題目為“Emerging Engineered Wood for Building Applications”的綜述論文。這篇綜述深入探討了建筑用改性木材的最新進(jìn)展，除了作為結(jié)構(gòu)材料，也涵蓋了建筑性能的更多方面的應(yīng)用。文章首先從理論計(jì)算的角度提供木材基功能材料的多尺度設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)性概述了木材的結(jié)構(gòu)和組成以及改性策略。然后探索了木材的固有屬性，這些屬性源自其分層的多孔、各向異性的結(jié)構(gòu)和木質(zhì)纖維素成分。文章進(jìn)一步討論了木材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改性和功能化應(yīng)用方面的原則和近年來(lái)該領(lǐng)域取得的進(jìn)展，重點(diǎn)討論了通過(guò)各種結(jié)構(gòu)成分改性賦予木材的機(jī)械、熱學(xué)、光學(xué)和能源等方面優(yōu)異的性能，此外，文章也從生命周期評(píng)估（LCA）和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA）的角度詳述了木材制品從取得原材料，經(jīng)生產(chǎn)、使用直至廢棄的整個(gè)過(guò)程對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生影響的和成本，以指導(dǎo)綠色建筑材料的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)未來(lái)建筑的節(jié)能減排和技術(shù)固碳，緩解氣候變化產(chǎn)生的重大影響。最后，該綜述概述了該研究領(lǐng)域當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和對(duì)未來(lái)方向的展望：

  (1) 許多木制品的制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生化學(xué)廢液。如何優(yōu)化脫木素/改性工藝并在不影響性能的情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)廢料的閉環(huán)制造仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

  (2) 化學(xué)試劑在木材塊體結(jié)構(gòu)中的不均勻滲透、擴(kuò)散可能會(huì)阻礙工程木制品的大規(guī)模制造。此外，考慮到木材中存在結(jié)節(jié)和其他缺陷，新型木制品放大生產(chǎn)和性能的均一性以滿足行業(yè)需求仍面臨一系列挑戰(zhàn)。

  (4) 傳統(tǒng)木制品中常用的粘合劑，如甲醛樹(shù)脂，在產(chǎn)品制造或使用期間會(huì)釋放揮發(fā)性氣體，甚至致癌物質(zhì)。在不犧牲產(chǎn)品的可回收性、可重復(fù)使用性和功能性的情況下，需要開(kāi)發(fā)綠色、耐用、安全、健康的粘合劑。

  (5) 工程木制品的生物降解性也是其長(zhǎng)期服役一個(gè)障礙，導(dǎo)致木制品在直接暴露于空氣中會(huì)過(guò)快降解。接下來(lái)需要更多的研究，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品服役期間的耐用性和退役后的生物降解性之間的平衡。

  (6) 應(yīng)根據(jù)適用的建筑規(guī)范或性能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)木制品的抗真菌、抗白蟻、防火和防潮性能進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。

  (7) 需要開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確、無(wú)損和低成本的方法用來(lái)全面監(jiān)測(cè)工程木材的性能隨服役期的變化。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.2c00450