竹子能否像金属和碳纤维那样，被精确塑形并承担高强度结构使命？必一运动·(B-Sports)官方网站联合武汉大学给出了肯定答案。该团队基于传统的干燥理论，提出“局部水分梯度驱动的非均匀干燥”策略，实现了竹材横向的细胞可控变形，可将天然圆竹加工成任意三维（3D）结构构件，并在力学性能与碳足迹上同时超越了多种传统工程材料。相关研究以“Engineering transverse cell deformation of bamboo by controlling localized moisture content”为题，发表于《Nature Communications》期刊，必一运动·(B-Sports)官方网站博士研究生白天为第一作者，李坚院士、程万里教授、王栋副教授、韩广萍教授及陈朝吉教授为共同通讯作者。
【文章DOI: 10.1038/s41467-025-59453-3】
1.基于非均匀干燥策略重塑3D竹材
天然竹材的圆筒结构与纵向维管束排列导致其横向加工困难，限制了竹材在先进工程领域的广泛应用。传统加工方法易破坏竹材原有天然结构，原料利用率低。针对这些问题，该团队通过控制竹材横截面局部区域的温度梯度（50–250°C），驱动竹材内部水分的定向迁移与蒸发，实现了内部应力的精准调控，使竹材整体呈现可控的横向变形。当竹材含水率干燥至纤维饱和点（约30%）附近时进行压密定形，避免传统工艺常见的“水爆”现象，确保了竹材在宏观塑形过程中能够保留天然的细胞结构和纤维取向一致性。基于该非均匀干燥策略，竹材实现了360°横向反转、弯折以及多种3D形状的重塑，制备出的3D竹材结构稳定性显著增强，力学性能得到明显提高。
图1. 3D竹材的加工。
2.3D竹材硬实力：比碳纤维轻，高强韧、抗冲击
研究表明，3D竹材比强度最高达740.58 MPa kg-1m3，接近航空级碳纤维复合材料；冲击韧性为2033.29 J/m，其冲击吸能能力远高于常用钢材和铝合金，可应用于多种承受动态载荷的场景。
图2. 3D竹材的力学性能。
3.一次成型、低碳排：替代金属、塑料的新选项
生命周期评估显示，3D竹材的生产碳排放仅为钢材的30%–50%，碳纤维复合材料的15%左右。若以强度为基准，与铝合金、聚乙烯和聚苯亚硫酸盐等可回收材料相比，3D竹材在化石资源稀缺性、淡水生态毒性、海洋富营养化和陆地酸化等方面具有显著优势，其广泛的低环境影响将助力于实现全球碳达峰和碳中和。
图3. 3D竹材生命周期评估。
4.多元场景应用：从建筑、汽车构件到文创产品
全球竹资源总面积超过3,300万公顷，亚洲（尤其中国、印度、印尼）拥有最大产地和最多品种。该团队研发的3D竹材具有多方面应用场景，可用于制造蜂窝墙体、曲面幕墙、汽车防撞梁、电池托架、滑雪板以及冲浪板骨架等结构件。3D竹材兼具高强度、高吸能能力与生态美学特征，为建筑、汽车、体育用品及文创领域提供了低碳、绿色的理想解决方案，助力全球绿色产业转型升级。
图4.竹资源的全球分布及3D竹材的应用。
结语
从“削成片、拼成板”到“水分编程、一次成型”的突破，把竹子带出了传统“平面材料”的束缚，让可再生、低碳的天然林业资源真正走向更高端结构的应用。随着数字制造和产业链配套的完善，3D竹材有望成为“以竹代钢”，“以竹代塑”的又一张中国绿色名片。
第一作者简介
白天，必一运动·(B-Sports)官方网站木材科学与技术学科博士研究生，师从韩广萍教授（导师）与程万里教授（合作导师）。研究方向为竹/木基结构功能材料、竹纤维复合材料。目前作为公派联合培养博士生在加拿大不列颠哥伦比亚大学（UBC）Orlando Rajos教授课题组从事研究工作。
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