面对全球气候不稳定性与资源枯竭的挑战，建筑及工业领域对钢铁、水泥等传统高碳排放材料的依赖亟待改变。开发能够在全生命周期内实现碳负排放的材料已成为实现净零战略的核心。竹子作为一种快速生长的木质纤维素资源，不仅生物质产量高，其固有的多级结构还赋予了其优异的力学性能和碳封存潜力。然而，竹子并非木材的简单替代品，其独特的中空形态、梯度结构和草类木质素化学特性，在加工与标准化方面提出了特殊要求，同时也为材料创新开辟了新的机遇。
东北林业大学韩广萍教授团队联合武汉大学陈朝吉教授和哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授等研究者在“Nature Reviews Materials”上，发表了题为“Engineering bamboo as a multiscale platform for carbon-negative materials”的论文，将竹子定位为一个多尺度的材料工程平台。
该综述通过探讨竹子分子组成、细胞壁超微结构到组织分布的层级结构，揭示了这些结构如何影响材料的传输、反应活性及力学性能。文章强调，通过键选择性化学处理、可控水合作用及结构改性策略，可以将竹子转化为多种维度的工程材料。
同时，文章系统评估了加工强度、产品耐久性及级联利用对碳收益的影响，提出了一个将分子设计、结构工程与生命周期碳核算相结合的新策略，为竹材实现可量化的气候效益提供了新路径。东北林业大学白天博士为第一作者。
图文导读
图1 竹材作为多尺度材料平台
图1 展示了竹材作为多尺度材料平台的全局图景。图1a通过全球竹资源分布与贸易流向（数据来自UN Comtrade）突出主要产区和进出口动态，区域面积值反映竹资源面积。图1b对比了竹子与慢生和速生树种的碳捕获潜力，强调其快速生长和高年生物量生产优势。图1c从秆几何形态、维管束梯度、细胞结构到多层细胞壁逐级呈现竹子的层级组织：左侧为空心圆柱形秆与环状节，中部显示纤维鞘嵌入薄壁组织的复合结构（纤维弹性模量20–46.3 GPa，密度0.9–1.6 g cm−3，薄壁组织刚度0.7–5 GPa），右侧为纤维细胞壁中宽窄亚层交替排列、微纤丝角（MFA）在2–20°（宽层）和70–90°（窄层）间变化的超微结构。图1d示意竹材细胞壁界面的分子复合物：硅通过与富含顺式二醇的半纤维素残基发生非共价相互作用及可能的Si–O–C键连接；木质素通过苯基糖苷、苄基醚和γ-酯键与碳水化合物形成木质素-碳水化合物复合体（LCC）。该图系统整合了从宏观到分子尺度的结构特征，为理解竹材力学、输运和化学可及性奠定了基础，表明其层级组织是工程化设计的物理化学起点。
图2 结构修改策略将竹子的可及性、反应性、建筑和工艺权衡联系起来
图2归纳了竹材结构改性策略，将其分为壁内改性、壁外改性和混合改性三大类，并关联水合行为与可获得性。图2a（壁内改性）展示作用于细胞壁内部聚合物的手段：选择性移除组分（半纤维素、木质素、抽出物）、原位聚合/交联、化学衍生化（酰化、醚化、氧化）和热处理，这些策略主要调控分子反应性和纳米尺度结构。图2b（壁外改性）则聚焦于孔隙网络和外部界面（细胞腔、纹孔、胞间层、表面），包括干燥、聚合物/纳米粒子填充、内涂层、表面接枝、致密化、细胞壁褶皱、机械分离和选择性分离，主要调控传输、界面作用和介观架构。图2c（混合改性）集成多步策略，如脱木素后致密化、聚合物渗透多孔骨架、碱性-热预处理后固结、碳化结合内涂层，实现多尺度协同控制。图2d展示天然竹材吸湿等温线，区分低水活度下紧密结合水（羟基位点）、中水活度下多层水和毛细冷凝水（溶胀孔道、提高分子迁移率）以及高水活度下自由水（主导热质传输和干燥应力）。图2e比较不同竹组织或处理后的吸湿曲线，揭示纤维与薄壁细胞因可及吸附位点和孔结构差异导致的吸湿差异。该图系统建立了“可及性-反应性-结构重组”的改性设计逻辑，强调水作为临时塑化剂和结构调控因子的核心作用，并指出各策略在规模化、碳效率和性能间的权衡。
图3 竹材料跨尺度加工路径
图3呈现了竹材结构工程化产品的加工路径与性能演化。图3a展示原始圆柱形竹秆直接用作承重构件，保留中空几何和节部结构，这是传统营造方式。图3b展示标准化竹材的三种加工路线：上图为层积竹材（LBL），将竹条干燥后用结构胶粘剂胶合制成板/梁，提高均匀性但依赖胶合界面；中图为重组竹复合材料，将竹材解构为纤维束或篾片，再经成型、施胶和致密化重组，材料利用率超80%，但性能受纤维-基体界面制约；下图为脱木素后致密化路线，部分脱除木质素增加孔隙率，经压力固结形成厚度减少超70%、拉伸强度接近1 GPa的密实材料，荷载主要由重组的纤维素网络承担，减少外部胶粘剂依赖。图3c展示三维模压成型，通过控制局部含水率实现弯曲构件、柱体和管状元件，突破圆柱形态限制，拓展预制化建筑设计空间。该图清晰表明，结构竹产品从“保留原态”到“解构重组”再到“致密强化”的演进中，多尺度设计原则（可及性提升、可控结构重构）与加工强度、耐久性的平衡是获得可靠碳效益的关键。
结论展望
竹材的碳负性并非天然属性，而是通过集成的多尺度设计实现的。未来的发展需将材料设计与竹材解剖学特性适配，优先发展高保留率的键选择性化学改性，并精心设计可逆界面以实现性能与循环性的统一。文章强调，必须将耐久性与循环性作为耦合的设计约束，并借助数字工具加速材料开发。尽管实验室成果显著，但工业转化仍受限于质量传输瓶颈，未来需结合基因组编辑与双向设计框架，从根本上优化竹材原料。总之，只有将可持续资源管理、工业流程整合与透明的碳核算体系协同发展，竹材才能从区域性资源跃升为全球碳中和的重要支柱。
文献信息
Bai, T., Panahi-Sarmad, M., Yan, J. et al. Engineering bamboo as a multiscale platform for carbon-negative materials. Nat Rev Mater (2026). https://doi.org/10.1038/s41578-026-00943-1
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