三十年前，德國的一位植物學家有一個簡單的愿望：在不解剖木本植物的前提下觀察它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過漂白植物細胞中的色素，齊格弗里德?芬克（Siegfried Fink）設(shè)法創(chuàng)造了透明的木材，并在專業(yè)木材技術(shù)期刊上發(fā)表了他的技術(shù)。十多年來，這篇發(fā)表于 1992 年的論文一直在透明木材領(lǐng)域占有權(quán)威地位，直到一位名叫拉爾斯?伯格倫德（Lars Berglund）的研究人員偶然發(fā)現(xiàn)了它。

伯格倫德受芬克的啟發(fā)，但不是出于植物學的原因。這位材料科學家在瑞典 KTH 皇家理工學院工作，專門研究聚合物復合材料，并想要創(chuàng)造一種更堅固的透明塑料替代品。他并不是唯一一個對木材的優(yōu)點感興趣的人。在大洋彼岸，馬里蘭大學的研究人員正忙于一個與此有關(guān)的目標：將木材的強度用于非傳統(tǒng)目的。

現(xiàn)在，經(jīng)過多年的實驗，這些團隊的研究正初見成效。透明木材很快就會用于智能手機的超強屏幕，柔和、發(fā)光的燈具，甚至作為結(jié)構(gòu)特征，例如變色窗。

“我真的相信這種材料有光明的未來，”曾作為研究生在伯格倫德實驗室工作的南京林業(yè)大學的木材納米技術(shù)專家傅啟亮表示。

木頭由無數(shù)小的垂直通道組成，就像一捆用膠水緊緊綁在一起的稻草。這些管狀細胞將水和養(yǎng)分輸送到整個樹上，當樹木被砍伐并且水分蒸發(fā)時，就會留下空氣袋。為了制造透明木材，科學家們首先需要改進或去除名為木質(zhì)素的膠水，這種膠水將細胞束固定在一起，并為樹干和樹枝提供大部分土褐色顏料。在漂白木質(zhì)素的顏色或以其他方式去除它后，會留下乳白色的空心細胞骨架。

這個骨架仍然是不透明的，因為細胞壁對光的彎曲程度與細胞囊中的空氣不同 —— 這個值被稱為折射率。用環(huán)氧樹脂等物質(zhì)填充氣孔，使光線的彎曲程度到與細胞壁相似，就可以使木材變得透明。

科學家們使用的材料很薄，通常不到 1mm~1cm 厚。但是這些細胞創(chuàng)造了一個堅固的蜂窩結(jié)構(gòu)，微小的木纖維比最好的碳纖維更堅固，馬里蘭大學帕克分校透明木材研究小組材料學家胡良兵表示。添加樹脂后，透明木材的性能優(yōu)于塑料和玻璃：在測量材料受壓破裂或斷裂的難易程度的測試中，透明木材的強度是有機玻璃等透明塑料的三倍左右，比玻璃堅韌約 10 倍。

“結(jié)果令人震驚，一塊木頭可以像玻璃一樣堅固，”胡良兵說，他在 2023 年材料研究年度回顧中強調(diào)了透明木材的特征。

該過程也適用于較厚的木材，但通過該物質(zhì)的視野更模糊，因為它散射了更多的光線。在 2016 年起初的研究中，胡和伯格倫德都發(fā)現(xiàn)，用樹脂填充木骨架的毫米級薄片可以透過 80% 至 90% 的光線。當厚度接近一厘米時，透光率會下降：伯格倫德的團隊報告說，3.7 毫米厚的木材（大約兩便士厚）只透過了 40% 的光。

該材料的纖薄外形和強度意味著它可以成為薄且易碎的塑料或玻璃制品（如顯示屏）的絕佳替代品。例如，法國公司 Woodoo 在其木屏風中使用了類似的去木質(zhì)素工藝，但保留了一點木質(zhì)素以創(chuàng)造不同的色彩美感。該公司正在為汽車儀表板和廣告牌等產(chǎn)品定制可回收的觸摸感應數(shù)字顯示器。

但大多數(shù)研究都集中在將透明木材用作建筑的窗戶，印度理工學院瓦拉納西的生化工程師普羅迪尤特?達爾（Prodyut Dhar）說，透明木材是比玻璃更好的絕緣體，因此它可以幫助建筑物保持熱量或阻擋熱量。2019 年胡及其同事還使用聚乙烯醇（PVA）—— 一種用于膠水和食品包裝的聚合物 —— 滲透到木材骨架中，使透明木的導熱速度比玻璃低五倍。

研究人員正在提出其他調(diào)整，來提高木材保持或釋放熱量的能力，這對節(jié)能建筑很有用。瑞典 RISE 研究所的材料科學家席琳?蒙塔納里（Céline Montanari）及其同事對相變材料進行了實驗，當它們從固體變?yōu)橐后w時，相變材料會從儲存熱量轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫艧崃?，反之亦然。例如，通過摻入聚乙二醇，科學家們發(fā)現(xiàn)他們的木材可以在溫暖時儲存熱量，并在冷卻時釋放熱量。

因此，透明木窗會比傳統(tǒng)玻璃更堅固，更有助于溫度控制，但透過它們的視野會很朦朧，更類似于磨砂玻璃而不是普通窗戶。然而，如果用戶想要漫射光，朦朧可能是一個優(yōu)勢：由于較厚的木材很堅固，它可以成為部分承重的光源，伯格倫德說它可能充當天花板，為房間提供柔和的環(huán)境光。

胡良兵和伯格倫德一直在研究如何賦予透明木材新的特性。大約五年前，伯格倫德及其瑞典皇家理工學院和佐治亞理工學院的同事發(fā)現(xiàn)，透明木材可以模仿智能窗戶，這種窗戶可以從透明切換到有色，以降低能見度或阻擋太陽光線。研究人員將一種電致變色聚合物（一種可以通過外加電激勵改變顏色的物質(zhì)）夾在涂有電極聚合物導電的透明木材層之間。這創(chuàng)造了一種木板，當用戶運行小電流通過它時，它會從透明變成洋紅色。

最近，這兩個實驗團隊已將研究重心轉(zhuǎn)移到透明木材生產(chǎn)的環(huán)保問題上。例如，蒙塔納里認為用于填充木腳手架的樹脂通常是石油衍生的塑料產(chǎn)品，最好避免使用它。作為替代品，她和同事們發(fā)明了一種源自柑橘皮的完全生物基的聚合物。該團隊首先將丙烯酸和檸檬烯結(jié)合在一起，存在于精油中，然后用它浸漬了脫木質(zhì)素的木材（檸檬烯是一種從檸檬和橙皮中提取的化學物質(zhì)）。研究人員在 2021 年發(fā)表在《先進科學》期刊上報告說，即使有果味填充料，這種生物基透明木材仍保持其機械和光學特性，相比普通木材，能夠承受約 30 兆帕的壓力，并透射約 90% 的光。

與此同時，胡的實驗室最近在《科學進展》上報道了一種更環(huán)保的木質(zhì)素漂白方法，該方法依靠過氧化氫和紫外線輻射，進一步降低了生產(chǎn)的能源需求。該團隊用過氧化氫刷洗厚度約為 0.5 至 3.5 毫米的木片，然后將它們放在紫外線燈前以模仿太陽光線。紫外線漂白了木質(zhì)素中含有色素的部分，但保留了結(jié)構(gòu)部分，從而有助于在木材中保持更多的強度。

這些更環(huán)保的方法有助于限制生產(chǎn)中使用的有毒化學品和化石基聚合物的數(shù)量，但根據(jù)達爾及其同事分析目前看來，玻璃對環(huán)境的影響仍然低于透明木材。研究人員表示，采用更環(huán)保的生產(chǎn)方案和擴大生產(chǎn)規(guī)模是將透明木材推向主流市場的必要步驟，但這需要時間。但是他們對此充滿信心，并相信它成為一種可持續(xù)材料的潛力。

“當你試圖實現(xiàn)可持續(xù)性時，你不僅要與化石基材料的特性相匹配，”蒙塔納里說，“作為一名科學家，我想超越這一點”。

作者：Jude Coleman

翻譯：Sheri

審校：悅悅

原文鏈接：Why scientists are making transparent wood

本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Jude Coleman

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