그 비밀은 목재를 구성하고 있는 조직의 미묘한 구조에 기인한다. 즉, 목재를 구성하는 세포의 수는 대략 1 cm³당 침엽수재인 경우 35～50만 개 그리고 활엽수재인 경우 200～300만 개 정도 되는데 이들 가운데 대부분, 즉 부피 면에서 볼 때 편백과 같은 침엽수재의 경우 95% 이상 그리고 오동나무나 가시나무와 같은 활엽수재의 경우 80～95%가 나무의 줄기 방향인 축방향으로 배열되어 있는 속이 빈 섬유 또는 관 모양의 세포이기 때문에 가능해진다.

 

동일한 무게 조건 아래에서는 막대기보다는 파이프(pipe)가 강하다는 사실은 잘 알려져 있다. 목재는 단순한 다공성 재료가 아니라 무수히 많은 파이프를 묶어 놓은 듯한 구조로 되어 있다. 이 구조는 벌집과도 비슷한 구조이기 때문에 벌집(honeycomb) 구조로도 불리고 있다. 간단하게 속이 빈 관으로 시험해 보면 바로 알 수 있겠지만 관 모양의 것은 종방향의 힘에 대해서는 강하지만 횡방향으로부터의 힘에는 쉽게 구부러지게 된다. 이러한 점이 목재가 방향에 따라 서로 다른 강도를 나타내는 원인의 하나가 되고 있다.

이러한 세포 가운데 나무의 몸체를 지지해 주는 역할을 지니는 섬유 모양의 세포를 하나 골라 더 자세히 알아보기로 하자. 이 섬유 모양의 세포는 지름 0.01～0.05 mm, 길이 0.5～5 mm 정도 되는 것으로써 두께 2～5 µm(2/1000～5/1000 mm) 정도 되는 세포벽은 다음에 설명되어 있듯이 역학적으로 우수한 구조를 지니고 있다.

 

침엽수재의 가도관이나 활엽수재의 목섬유가 섬유 모양을 지니는 세포인데 이들의 세포벽을 더욱 확대시켜 모식도로 나타내면 아래 그림과 같다. 목재를 구성하는 세포의 벽에서는 셀룰로오스(cellulose)의 다발(마이크로피브릴, microfibril)에 의한 실 모양의 구조체(filament)가 세포내강을 둘러싸는 형태로 되어 있는데 이들 구조체는 급한 경사의 나선상 배열을 이루고 있다. 셀룰로오스는 사슬 모양의 긴 고분자로써 인장에 대해 매우 강한 성질을 지닌다. 게다가 나선상으로 배열되어 있는 마이크로피브릴 사이를 헤미셀룰로오스(hemicellulose)와 리그닌(lignin)이라고 하는 물질이 메우고 있어 세포벽은 강고해지게 된다. 또한, 인접한 세포의 사이에서는 리그닌이 이들 세포를 서로 붙여 주는 접착제의 역할을 하고 있기 때문에 목재는 압축력에 대해서도 큰 저항을 나타내게 되는 것이다. 이처럼 나선상 배열된 구조를 나선 꼬임(helical winding) 구조라고 부른다. 밧줄 등은 섬유를 단순한 다발 모양으로 묶어 놓은 것이 아니라 섬유를 서로 꼬아 놓음으로써 강해지는 것이다. 이와 마찬가지로 마이크로피브릴의 나선 꼬임 구조가 목재 강도를 역학적으로 우수한 것으로 만들고 있는 것이다.

 

 

이처럼 파이프가 다발 모양으로 묶여 있는 듯한 모양의 벌집 구조 그리고 특히 섬유 모양의 세포벽 가운데 가장 두꺼운 층인 중층에서 셀룰로오스 마이크로피브릴이 세포의 축에 대해 10～30ﾟ 각도로 배열되어 있으면서 나선 꼬임 구조를 이룸에 따라 목재는 섬유방향(줄기의 축에 평행한 방향)으로 가해진 외부의 힘에 대해 동일한 무게의 다른 재료에서는 얻어지지 못하는 강도를 나타내게 되는 것이다.

 

나무 중에는 지름 수 m, 키 100 m 이상이나 되는 것도 있다. 예를 들면, 지름 2 m, 키 50 m 정도 되는 나무인 경우 무게가 100 ton 이상에 이를 것으로 여겨진다. 나무의 줄기는 이처럼 거대한 몸체를 지지할 뿐 아니라 꼭대기까지 수액을 계속 끊임없이 보내기 위한 파이프를 가지고 있지 않으면 안 된다. 이러한 목재의 구조는 나무의 생장 목적에 잘 들어맞는 것으로 나무의 줄기가 거대한 몸체를 모진 풍상에 견디어 낼 수 있도록 만들어 주기 위해 반드시 필요한 것으로 여겨진다.