气候危机与资源枯竭，正倒逼全球工业重新审视材料基础。钢铁、水泥和塑料在建筑与制造中贡献了巨额碳排放，脱碳已成为实现净零排放的核心挑战。

竹子，这种生长速度可达每天1米的草本植物，因其兼具高生物质生产力和强大的碳封存能力而备受瞩目。但它并非“生长更快的木材”，其独特的中空秆茎、显著的维管束梯度、强烈的各向异性以及禾本科特有的木质素化学，在加工与工程化中带来了独特的挑战与机遇。

东北林业大学韩广萍教授、武汉大学陈朝吉教授、不列颠哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授团队合作，在《Nature Reviews Materials》（影响因子86.2）上发表综述，首次系统性地提出将竹子定位为一个多尺度材料平台，深入探讨了如何通过工程化设计其跨尺度层级结构，定制其性能与服役寿命，从而实现从结构材料到功能器件的转变。

从秆茎到分子：竹子为什么这么“能打”？

竹子的性能密码，刻在它的每一级结构里：

• 宏观层面：竹秆为中空圆柱体，具节，纤维富集的外层使承重材料远离中性轴，极大提升了单位质量的抗弯效率。
• 微观层面：竹子呈现出纤维状维管束嵌入柔软薄壁细胞基质的复合结构。纤维束的弹性模量可达20-46.3 GPa，而薄壁组织刚度较低（0.7-5 GPa），形成天然的“刚柔并济”。
• 纳米层面：竹纤维细胞壁呈现为纤维素微纤丝（宽亚层中微纤丝角2-20°，窄亚层中70-90°）嵌入半纤维素-木质素基质的多层结构，实现了轴向增强与横向约束的耦合。
• 分子层面：竹材由纤维素（40-55%）、半纤维素（15-30%）和禾本科木质素（20-30%）组成的空间异质网络，并含有木质素-碳水化合物复合体，共同决定了竹材在加工中的表现。

Figure 1（竹子作为多尺度材料平台）

给竹子“做手术”：壁内、壁外与混合策略

竹子赋予其强度的层级结构，同时也是化学试剂均匀渗透的天然屏障。综述提出了一个通用分类框架：

• 壁内改性：直接作用于细胞壁内，改变纤维素、半纤维素与木质素的化学与超微结构，如选择性脱除组分或原位聚合，主要靶向分子反应性与纳米尺度结构。
• 壁外改性：作用于细胞腔、纹孔和胞间层等孔隙网络，通过干燥、填充或表面接枝来调控传输与界面，主要调控传输、界面相互作用和介观结构。
• 混合策略：整合壁内与壁外方法的多步策略，如脱木素-密实化处理，将化学转化与结构重构相结合，实现结构与功能的多尺度调控。

在这个框架中，水扮演着核心角色——引入水是为了实现传输与结构流动，移除水则是为了巩固演化后的结构，最终调控水则是为了确保其在服役期间的稳定性。

Figure 2（结构改性策略）

从结构材到功能器件：竹子的“七十二变”

通过上述策略，竹材可被转化为跨越多个尺度的高性能材料：

• 高性能结构材：通过脱木素-密实化技术，可制造出抗拉强度接近1 GPa的高性能结构材，而微波辅助干燥甚至能实现均匀的快速致密化。
• 透明竹薄膜：兼具高透光率、可调雾度与低导热性（0.203 W m⁻¹ K⁻¹，相比玻璃的0.974 W m⁻¹ K⁻¹），在光管理与建筑节能领域展现出潜力。
• 被动辐射冷却涂层：具有高太阳光反射率与中红外发射率，能在强烈日照下实现显著的亚环境冷却，其年制冷节能潜力在低纬度城市效益更为突出。
• 生物基塑料与电池隔膜：通过化学改性调控纤维素分子网络，可制备出高强高韧的生物基塑料；而利用竹材构建的纤维素基膜，可作为锌离子电池的高性能隔膜。

Figure 3 (结构竹材从秆茎到构件的跨尺度加工路径)

竹纤维与纳米构建块：向下延伸的价值链

在纤维层面，通过温和脱木素与致密化处理，可制造出强度高达2.2 GPa、杨氏模量120 GPa的连续纤维素宏纤维，接近高性能合成纤维的下限。进一步解构至纳米尺度，可得到纤维素纳米晶、木质素纳米颗粒及碳量子点等材料。最优的尺寸并非越小越好——解构越深，加工强度与环境代价通常越高；最佳尺寸应是能以最低环境成本实现所需功能的尺度。

Figure 5（从纤维到纳米相）

气候效益不是“自动获得”的

综述从系统层面指出，竹产业要实现气候效益，必须将资源管理、加工效率、产品耐久性与寿命终结策略全链条对齐。竹产品若要替代高碳材料，其减排效益必须基于功能等效而非仅仅是可再生。在中国，竹材综合利用率从30%提升至60%，2050年减排潜力可从6221万吨增至1.244亿吨CO₂当量。制定统一透明的核算规则，避免碳的双重计算和不切实际的寿命终结假设，对于竹基材料的可信碳效益证明至关重要。

Figure 6（竹价值链与气候结果）

论文信息：Engineering bamboo as a multiscale platform for carbon-negative materials，Nature Reviews Materials，2026，DOI: 10.1038/s41578-026-00943-1

总结：

系统阐释竹子从宏观到分子的多尺度层级结构→提出“壁内/壁外/混合”改性框架→实现从结构材到透明薄膜/辐射冷却/电池隔膜的功能化跨越→竹子的负碳属性是材料科学与产品体系的一体化设计成果。