多倫多大學突破性研究：生物炭機械性能媲美結構鋼材 揭示永續材料新維度

多倫多大學的研究團隊取得一項材料科學的重大突破，成功將傳統上用於環境修復的生物炭（biochar）提升至結構工程的應用層面。由 Charles Q. Jia 教授領導的團隊證明，透過精確控制熱解過程，生物炭的機械性能可以達到與傳統低碳鋼相媲美的水平。這項成果不僅標誌著材料科學的進展，更展示了如何從自然結構中汲取智慧，轉化為可持續的高性能解決方案。

這項關鍵發現於 2025 年 10 月 21 日在《Biochar X》期刊上發表，其研究範圍遠超生物炭在土壤改良或污染物吸附的傳統應用。研究人員分析了源自七種不同木材，包括楓木、松木、竹子及非洲鐵木的生物炭樣品，這些樣品在攝氏 600 度至 1,000 度的溫度區間內進行熱處理。其中，非洲鐵木生物炭展現出高達 2.25 GPa 的軸向硬度，這一數值已能與低碳鋼的強度相匹敵。

研究揭示了生物炭材料極端的異向性（anisotropy）特性。以木麻黃為例，其軸向硬度比橫向硬度高出驚人的 28.5 倍。透過進階的微觀與奈米壓痕技術分析，研究證實這種顯著的方向性差異源於木材固有的層級孔隙網絡結構，而非碳材料本身的特性。有趣的是，在奈米尺度上，所有樣品的硬度表現出高度一致性，暗示著不同樹種的細胞壁基礎屬性保持穩定。

參與此項研究的成員還包括 Qinyi Wang、Yating Ji、Mohana M. Sridharan、Lizhong Lang、Yu Zou，以及 Donald W. Kirk，他們在多倫多大學的綠色科技實驗室完成了這項工作。他們建立了一個首個量化框架，旨在設計具有可預測機械行為的單塊生物炭，這對於工業界採用至關重要。Charles Q. Jia 教授總結指出，生物炭已然是一種結構材料，其應用前景廣闊，涵蓋高強度電極、輕質複合材料，乃至於流向控制過濾器等領域。

這項研究的價值在於，它巧妙地利用了木材原有的層級結構來決定宏觀的機械性能，為永續材料設計提供了一條優雅的途徑。此外，外部資訊顯示，將生物炭作為水泥複合材料的添加劑，不僅能提升砂漿的防水性、抗壓和抗彎強度，還能有效封存二氧化碳，契合循環經濟的理念。這項發現為我們提供了新的視角：看似廢棄的生物質，實則蘊含著足以與傳統工業材料並駕齊驅的潛能。