在可持续发展与碳中和背景下，先进结构材料正朝着轻质高强，环保可持续的方向发展，开发可持续的先进结构材料尤为重要。竹材作为一种快速生长、碳汇能力强且天然力学性能良好的生物质资源，在此方面展现出了巨大的潜力。但天然竹材存在显著的力学各向异性，同时其阻燃性和耐久性也相对有限。现有研究多依赖树脂增强或高温热压对竹材改性，虽提升了整体强度，却未能有效解决力学性能不均的问题。实现竹基材料轻质高强且均一的力学性能，成为领域内亟待突破的关键。

针对上述挑战，四川大学石碧院士团队的廖学品教授，肖霄副研究员等近日在国际知名期刊Nature Communications发表题为“Super-robust and sustainable bamboo structural material enabled by bonding network reconstruction”的研究论文。

该研究提出了一种名为“HoRo-Bamboo”的新型竹基结构材料。通过构建离子-氢键网络，团队成功将天然竹材转化为轻质、超强且耐用的结构材料。该材料密度仅为0.83 g/cm³，纵向和横向的拉伸强度分别高达631 MPa和628 MPa，实现了纵向和横向上的力学性能均一化，同时展现出优异的阻燃性和耐候性。生命周期评估表明，每生产1公斤HoRo-Bamboo仅排放1.67 kg CO₂当量，具备显著的低碳优势。技术经济分析表明其制造过程具有良好的经济可行性。该方法为生物质基结构材料的发展提供了新思路。

研究团队通过离子-氢键网络重筑实现了这一突破。首先，利用H₂O₂/O₃超分散处理竹材，有效脱除木质素和半纤维素，同时保留纤维素骨架。该过程不仅使竹纤维松散、暴露出更多活性基团，还避免了传统化学脱木素对纤维的损伤。随后通过真空浸渍引入Al³⁺， 使其与纤维素上的羧基、羟基等含氧基团发生配位与离子交联，形成稳定的三维桥接结构。最后，将负载Al³⁺的纤维正交铺层并快速热压，重建出致密的离子-氢键网络。这一过程彻底改变了天然竹材中木质素-半纤维素的低强度氢键网络，使纤维间结合能大幅提升。与天然竹材相比，其纵向拉伸强度提高约485 MPa，横向拉伸强度提升约618 MPa。弯曲强度在纵向和横向均达到约350 MPa，其中横向弯曲强度比天然竹材提高了32倍。HoRo-Bamboo的密度为0.83 g/cm³，远低于传统金属材料，保持了竹材的轻质特性。比强度达到760 MPa·g·cm⁻³，显著优于不锈钢和多种合金。同时，该材料具备优异的阻燃性、耐候性和环境兼容性，有望在航空航天、汽车制造、风力发电叶片等领域替代金属合金、玻璃纤维和塑料等不可再生结构材料。研究团队提出的制造工艺具有良好的可扩展性，为其他木质纤维素材料的高效利用和竹基生物经济的发展开辟了新路径。

四川大学轻工科学与工程学院博士生杜陶为论文的第一作者，四川大学轻工科学与工程学院廖学品教授和肖霄副研究员为论文的通讯作者，石碧院士对本研究工作给予了重要指导。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-73719-4