全球气候不稳定与资源枯竭正迫使现代工业与基础设施重新审视其材料基础。钢铁、水泥和石油基聚合物等结构材料，在建筑与建造领域的温室气体排放中占据显著份额，其脱碳进程已成为实现净零排放目标的核心挑战。在此背景下，能够实现碳捕集与耐久储存的负碳材料日益受到关注。基于植物生物质的材料，通过将光合作用固定的碳纳入长寿命产品，为此提供了一条可行路径。其中，竹子作为一种生长迅速的木质纤维素资源，凭借其兼具高生物质生产力与在大气碳封存方面的潜力，成为该领域的焦点。然而，竹材并非仅仅是生长更快的木材类似物，其独特的中空秆茎形态、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特性，在加工、标准化和工程设计中引入了特有的挑战与机遇（图1a）。

东北林业大学韩广萍教授、武汉大学陈朝吉教授和不列颠哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授合作，系统性地提出了将竹子定位为一种多尺度材料平台的观点。文章指出，竹子的气候效益并非自动获得，而是取决于透明的生命周期边界、现实的寿命终结场景以及切实的碳储存能力。通过对竹子分子成分、细胞壁超微结构到组织排布这一跨尺度层级结构的工程化设计，可以有目的地调控其化学功能性、结构组织与加工路径，从而定制其性能与服务寿命。该综述详细探讨了键选择性化学、可控水合作用与结构改性策略，如何将竹子转化为涵盖结构复合材料、功能层合板、纤维基体系及纳米构建块等多维度尺度的工程材料，并进一步分析了加工强度、产品耐久性与级联利用如何共同决定这些材料的净气候效益。相关论文以“Engineering bamboo as a multiscale platform for carbon-negative materials”为题，发表在Nature Reviews Materials上，第一作者为东北林业大学白天博士。

文章首先阐释了竹子贯穿宏观至分子尺度的层级结构，这是其性能与加工性的根本决定因素。在宏观层面，竹秆为中空圆柱体，具节，其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（图1c，左），同时其固有的几何与成分梯度也限制了径向流体渗透，并创造了各向异性的传质路径。在微观尺度，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，纤维束由厚壁细胞组成，弹性模量可达20-46.3 GPa，而薄壁组织则形成更开放的细胞基质，刚度较低（0.7-5 GPa）（图1c，中）。这种功能梯度分布如同工程纤维增强复合材料，由刚性的纤维承担载荷，而柔顺的基质则用于耗散能量和增韧。然而，这种组织上的不均一性也导致了化学改性与干燥过程的不均匀。在纳米尺度，竹纤维细胞壁呈现为纤维素微纤丝嵌入半纤维素-木质素基质的复合多层结构，宽亚层中微纤丝角为2-20°，窄亚层中为70-90°（图1c，右），通过不同层次中微纤丝取向的交替变化，实现了轴向增强与横向约束的耦合，为细胞壁提供了刚度与稳定性，而薄壁细胞壁则因更高的孔隙率和更易接近的反应位点，表现出不同的吸湿与反应特性。在分子层面，竹材并非均质的木质纤维素共混物，而是由纤维素（40-55%）、以葡糖醛酸木聚糖和阿拉伯木聚糖为主的半纤维素（15-30%）、含紫黄质和对香豆酸酯键的禾本科木质素（20-30%），以及木质素-碳水化合物复合体等组成的空间异质网络（图1d），这些组分的具体含量、键合状态与空间分布，而非仅平均组成，决定了竹材在加工中的表现。

图1 | 竹子作为一种多尺度材料平台。a，全球竹资源分布与贸易流向，突出主要产区和进出口动态。面积值表示各区域的竹资源面积。数据来自参考文献287。b，竹子与慢生和速生树种碳捕集潜力的比较，强调其快速生长和高年生物质产量。数据来自参考文献148。c，竹子从秆茎几何和维管束梯度到细胞结构和多层细胞壁的跨尺度层级组织。d，竹子细胞壁界面处的分子复合物。硅-细胞壁多糖缔合和木质素-碳水化合物复合物键合的简化示意图。硅物种可通过非共价相互作用与富含羟基的细胞壁多糖缔合，并存在提出的Si-O-C键联，尤其是在含顺式二醇的半纤维素残基处；而竹木质素通过代表性的木质素-碳水化合物复合物基序与碳水化合物部分连接，包括苯基糖苷键、苄基醚键和推测的γ-酯键。波浪键表示聚合物网络的延续。

理解竹子的结构特性后，综述重点分析了其化学可及性与反应性这一核心挑战。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。从宏观的蜡质表皮、硅沉积和节部横膈膜，到微观下结晶纤维素与木质素-碳水化合物复合体的致密排列，共同限制了分子传输。为此，研究者开发了从机械破碎、蒸汽预处理到化学提取等多尺度策略来提升渗透性，但这些方法在提高可及性的同时，也可能带来降低产率、增加能耗与化学负荷等权衡。基于此，文章提出了一个通用的分类框架，将竹材改性策略分为"壁内改性"、"壁外改性"与"混合策略"三大类（图2a-c）。"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（图2a）；"壁外改性"则作用于细胞腔、纹孔和中间层等孔隙网络，例如通过干燥收缩、填充或表面接枝来调控传输与界面（图2b）；而"混合策略"则将二者结合，如脱木素-密实化处理，以制造出性能卓越的致密纤维素材料（图2c）。在这个框架中，水扮演着核心角色，它既是传输介质又是结构调控的开关——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（图2d）。竹材不同组织与组分对水分的吸附行为存在显著差异，纤维与薄壁细胞的吸水等温线对比显示了组织水平差异如何影响改性策略的选择（图2e）。同时，针对竹材易受霉菌、腐朽菌和白蚁侵害的弱点，其防护策略也应从传统的高化学药剂浸渍，转向降低水活性、固定活性成分与稳定界面的"壁内反应性修饰"或"壁外表面防护"，最终目的是以最低的有效干预实现最长的服役寿命，并确保其与回收和级联利用体系兼容。

图2 | 连接竹子可及性、反应性结构与加工权衡的结构改性策略。a，壁内改性。在细胞壁内部作用，改变纤维素、半纤维素和木质素的化学与超微结构的策略，包括选择性组分移除、原位聚合、化学衍生化及热重组处理。此类方法主要靶向分子反应性与纳米尺度结构。b，壁外改性。在孔隙网络和外部界面（包括细胞腔、纹孔、胞间层和表面）内作用的策略。这些方法引入第二相或通过干燥、聚合物/纳米颗粒填充、内涂层、表面接枝、密实化、细胞壁起皱、机械分离和选择性分离等过程诱导结构变形，主要调控传输、界面相互作用和介观结构。c，混合改性。整合壁内与壁外方法的多步策略，将化学转化与结构重构相结合，例如脱木素后密实化、聚合物渗入多孔骨架、碱热预处理后固结以及碳化结合内涂层，可实现结构与功能的多尺度调控。d，天然竹材的吸附等温线。低水活度时，强结合水占据纤维素、半纤维素和木质素-碳水化合物界面的富羟基位点；中水活度时，多层水和毛细冷凝水溶胀纳米孔，增加聚合物迁移率并打开扩散通路；高水活度时，大孔和腔体中的自由水主导热质传递、毛细压力和干燥应力。e，竹材组织或组分的吸附等温线。代表性曲线展示细胞类型和化学移除如何通过改变可及吸附位点和孔隙结构来影响水分吸收。此比较将组织水平的差异和处理诱导的孔隙率与利用暂时溶胀进行加工或在服役期抑制水分吸收的改性策略联系起来。

通过上述结构导向的改性策略，竹材可被转化为跨越多个尺度的高性能材料。在结构材料层面，传统原竹虽在建筑中历史悠久，但几何与性能的变异性限制了其与现代规范的兼容性，这催生了竹层积材、竹展平材和重组竹等工程产品（图3b）。其中，最新进展在于利用脱木素-密实化技术（图3b，底部），通过部分去除木质素增加孔隙率，再经热压致密化，可制造出厚度减少超过70%、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，有望从根本上升级竹结构材的性能与可靠性。此外，通过对整体竹秆进行三维成型（图3c），可制造出弯曲构件和空间几何体，大幅拓展了竹材在预制化体系中的设计空间。

图3 | 结构竹材从秆茎到构件的跨尺度加工路径。a，未经剖分的原竹秆茎直接用作承重元件，保留天然中空几何形状和节部结构。b，通过剖分、展平、层积、重组和密实化等加工路径实现结构标准化，可制造出尺寸和性能可控的板材与梁材。这些方法逐步改变层级结构以提升均匀性和性能。c，将竹子三维成型和模塑为复杂结构部件，包括弯曲构件、柱体和管状元件，拓展了竹材在预制化体系中的设计空间。LBL，竹层积材。

竹材的功能化利用已远超出结构范畴。通过脱木素和折射率匹配聚合物浸渍，可制得透明竹薄膜（图4a），其兼具高透光率、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。通过脱木素、羧基化及非晶碳酸钙生长等处理，可制备出具有高太阳光反射率与中红外发射率的被动辐射冷却涂层（图4b），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中国不同城市有所差异，低纬度城市效益更为突出。此外，通过化学改性调控纤维素分子网络，可制备出具有高强高韧的生物基塑料（图4c）；而利用竹材构建的纤维素基膜材料（图4d），因其丰富的羟基和分级孔隙，可作为锌离子电池的高性能隔膜，在10 A g⁻¹的电流密度下展现出高库仑效率与优异的循环稳定性。

图4 | 多尺度界面工程赋能竹基平面材料的多功能性。a，透明竹薄膜。脱木素结合折射率匹配聚合物浸渍，减少内部散射，实现高透光率和可控雾度，同时保持低导热性。照片展示了通过透明竹薄膜可见的文字。透光率和雾度曲线显示了光学清晰度与光扩散之间的平衡，这与玻璃和光管理应用相关。b，被动辐射冷却涂层。脱木素和羧基化，再经络合和非晶碳酸钙生长，提高了太阳光反射率和中红外发射率。室外温度曲线对比了白纸参比与竹基涂层。ΔT曲线显示白纸温度减去涂层温度，突出了在波动太阳辐射下的瞬时冷却裕度。地图显示在中国夏季制冷情景下，采用竹基涂层而非白纸涂层的两层八室建筑模型模拟的年制冷节能潜力，低纬度高制冷需求城市的节能效益增加，而低需求区域则减少。c，竹基生物塑料。化学改性、塑化和交联重组多糖网络为具有可调塑性、强度和稳定性的可加工基材。代表性模塑件展示了其可加工性。应力-应变曲线将竹分子塑料与代表性商品塑料比较，凸显其强度与延展性的组合。d，电化学膜。具有可调官能团和分级孔隙率的纤维素基膜有利于离子传输，并在储能系统中稳定电极界面。照片显示采用竹膜隔膜组装的电池可为发光二极管供电。循环曲线将竹膜隔膜与水性锌离子电池中广泛使用的玻璃纤维隔膜参比进行比较。库仑效率曲线表明两种隔膜均具有高充放电可逆性，而容量曲线则突出了竹膜隔膜改善的循环稳定性。循环性能在10 A g⁻¹的归一化恒流条件下评估。ABS，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；HIPS，高抗冲聚苯乙烯；PA66，尼龙66；PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯。

在纤维层面，竹纤维凭借高抗拉强度、柔韧性与长径比，既可制备连续纤维缠绕的管道等结构型材（图5a），其环刚度可与玻璃纤维增强塑料相当但密度降低46.1-54.9%，也可通过温和脱木素与致密化处理，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。进一步将竹子解构至纳米尺度，可得到纤维素纳米晶、木质素纳米颗粒、碳纳米球及碳量子点等材料（图5b），这些纳米构建块凭借高比表面积与可调功能，在复合材料增强、光电、传感及储能等领域具有独特价值。然而，综述强调，最优的尺寸并非越小越好，因为解构越深，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。

图5 | 从纤维到纳米相：竹基材料的解构路径与功能输出。a，纤维演进与应用。时间线始于1637年的《天工开物》，该中国百科全书记载了竹纤维的早期初级加工与应用。历史进程从手工纤维提取用于纺织和造纸，发展到化学处理纤维、再生纤维、纤维素纳米纤维和高性能宏纤维。现代应用包括复合材料增强和缠绕技术，展示了纤维连续性与定向性如何转化为结构性能。b，纳米材料转化路径。竹材解构为纳米级构建块，包括纤维素纳米晶、木质素纳米球、碳纳米球、碳量子点以及二氧化硅或杂化纳米材料。纤维素纳米晶和木质素纳米球主要与作为可再生增强或添加剂相时的碳替代相关，并在替代化石基聚合物或添加剂组分时减少碳排放。木质素纳米球还可通过其紫外线阻隔、抗氧化或保护功能延长涂层或复合材料使用寿命而与生命周期延长相关。碳纳米球和碳量子点则与碳化衍生的生物碳储存和替代化石基功能性碳填料时的碳替代相关。二氧化硅纳米颗粒主要作为无机增强或保护添加剂与生命周期延长相关。杂化纳米材料仅在材料中有意设计CO₂捕集或保护功能时才与碳捕集或生命周期延长关联。这些联系是代表性而非普适性的，每种路径的净排放效益取决于材料功能、加工强度、产品寿命和生命周期边界。

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。竹价值链从上游的采收、初加工到下游的制造与应用（图6a），各环节均存在排放热点，气候政策与治理框架则深刻影响着行业发展轨迹（图6b）。中国、印度、印尼等国已将竹子纳入气候减缓与农村发展战略，但产业仍受限于竹龄混杂、物流困难及加工机械化程度低等瓶颈。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。论文引入了碳归一化替代因子（DFc = ΔEsub / Cbam）和级联利用的累计减排效应概念框架，强调唯有通过透明的生命周期评估，明确功能单位、系统边界及碳持久性假设，才能准确量化竹产品的气候价值。生命周期评估结果对方法论选择高度敏感，例如在EN 15804和ISO 21930等不同标准下，建筑产品中生物碳的核算方式存在差异，这可能导致结论不一致。以中国为例的情景分析显示，在竹材综合利用率30%的情景下2050年减排潜力为6221万吨CO₂当量，而在60%利用率情景下可达1.244亿吨CO₂当量，表明规模化路径与单位性能同样重要。因此，制定统一透明的核算规则，并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。

图6 | 竹价值链与气候结果之间的双向关联。a，价值链过程与排放热点。采收、初加工和制造活动可通过材料替代和长寿命碳储存实现气候减缓。同时，排放可能在加工热点中累积，包括化石能源使用、化学投入、废水处理和物流环节。b，政策与治理反馈。气候政策和监测、报告与核查框架可加速行业发展，同时也会引入权衡，如合规成本、土地竞争和治理挑战。这些相互作用共同表明，气候绩效取决于协调的系统级决策，而不仅仅是原料特性。

文章最后展望认为，竹子要成为一种全球相关的碳明智材料平台，需要将化学、结构与工业系统集成于统一框架。未来的核心原则包括：材料设计必须顺应竹子的解剖学特性，将不均一性视为可控的设计变量；化学改性应优先采用高得率、键选择性的低毒路径；需刻意设计界面以实现高效的载荷传递与耐久性；并应将耐久性与可循环性作为耦合的约束条件进行工程化设计。数字工具如机器学习与AI辅助断层扫描，有望加速从基因到产品的最优加工路径识别与缺陷管理，而群体规模重测序和全基因组关联研究可将秆茎解剖、木质素组成与硅沉积模式与因果遗传变异相关联，支持标记辅助育种策略。最终，竹子的气候负碳属性并非其固有的材料特性，而是贯穿材料科学、加工工艺与产品体系的一体化设计成果，其规模化应用还亟需配套的标准化测试、产品类别规则和认证体系，共同为竹材成为全球建筑与工业减碳的核心力量铺平道路。