透明玻璃？不，是木頭！

勞洲界

透明木頭效果圖來源：Zhu Mingwei，SongJianwei，LiTian，GongAmy，WangYanbin，DaiJiaqi，YaoYonggang，LuoWei，HendersonDoug，HuLiangbing. Highly Anisotropic，H i g[J]. Advanced materials （Deerfield Beach，F(xiàn)la.），2016，28（35）.

讓木頭變透明的“魔法”

科學家的研究思路是這樣的：要讓木頭透過光，必須先去掉木頭的顏色。由于木材細胞的內(nèi)部填充物（如木質(zhì)素）對光的吸收與散射，透明木材在可見光譜范圍內(nèi)不是透明的。為了得到能透過光的木頭，必須去掉木質(zhì)素等物質(zhì)，這步過程也被稱為去木質(zhì)素，此部分的機理與木材造紙工藝中去木質(zhì)素相似。

首先，我們需要把木頭置于化學試劑中在25℃～ 100℃下反應1～10小時，所采用的化學試劑可以是雙氧水、次氯酸鈉和氫氧化鈉的混合溶液。但是，在這之后問題出現(xiàn)了：木質(zhì)素具有使細胞相連，保持木頭結(jié)構(gòu)的作用，去木質(zhì)素后木頭的結(jié)構(gòu)被破壞，失去強度，無法進行下一步的加工。

聰明的科學家總能為自己的奇思妙想找到解決的思路。美國馬里蘭大學的華人科學家胡良兵教授領導團隊不斷地進行實驗、研究，終于有了新的發(fā)現(xiàn)。將去木質(zhì)素后的木頭再浸入環(huán)氧樹脂溶液中，環(huán)氧樹脂就會填充此前處理過的木頭的空隙。由于環(huán)氧樹脂的可見光折射率更接近木質(zhì)素纖維素纖維，環(huán)氧樹脂填充后的復合材料的可見光透過率高達90%。

大量的實驗數(shù)據(jù)表明，這樣得到的透明木頭即使去掉了木質(zhì)素但仍能保持結(jié)構(gòu)，且表現(xiàn)出更優(yōu)秀的力學性能。許多樹種由于纖維堆積密度和纖維細胞壁厚度在四季會有所不同，從而有疏密不均的年輪增長。木材年輪的層次性導致木材的各向異性，在力學性能方面表現(xiàn)為在平行于纖維方向的抗拉強度是垂直于纖維方向的抗拉強度的十幾倍甚至更高。而經(jīng)過工藝處理后的透明木頭不僅強度都提高了好幾倍，并且各向異性有非常明顯的減弱。

為啥要讓木頭變透明

其實，最早研究透明木頭并非為了應用需要，而旨在促進木材本身結(jié)構(gòu)的研究。希望通過將木頭變透明，使木材結(jié)構(gòu)變得可見，并可以對該結(jié)構(gòu)進行3D 建模。而科學家們并沒有因為獲得了階段性勝利而沾沾自喜，止步不前，而是進一步探索透明木頭的可能。

由于該材料少有地同時具有良好的機械性能和光學性能，是一種不錯的建筑材料。如左圖所示，采用透明木頭制成的屋頂，由于透明木頭高霧度②的性能，可用于改善室內(nèi)的照明，使其更均勻，更舒適。在模擬真實環(huán)境實驗中，當我們把尺寸相同的透明木材和玻璃制成樣品房進行模擬，在模擬同等強烈的太陽照射一定的時間后，玻璃樣品內(nèi)的溫度上升了近20℃，而透明木頭樣品室溫上升了11.8℃。而如若在透明木材中加入CsxWO3納米粒子①，該材料制成的樣品房在實驗中有更加優(yōu)秀的表現(xiàn)，該樣品房室溫僅上升了5.2℃。

玻璃作為一種目前廣泛應用于建筑的透明材料，雖然能解決光照問題，但同時也存在許多不足，如易碎等。而透明木頭不僅能解決易碎的問題，且相較于玻璃而言環(huán)保性更佳。此外，由于其優(yōu)異的力學性能，目前也有研究關于透明木頭能否代替鋼鐵材料應用于建筑。鋼鐵制造業(yè)作為我國目前高能耗、高污染的行業(yè)，其生產(chǎn)會排放大量的廢固廢液廢氣，會對環(huán)境造成污染。如果能采用透明木材替代鋼鐵，能夠進一步推進人類社會可持續(xù)發(fā)展。

▲透明木頭使用效果

透明木頭還可以做得更多

透明木材的另一個方向是應用于光伏設備，或者應用于太陽能電池等能源設備中，以提高能源的利用效率。

目前市場上主流的太陽能板是晶體硅太陽能電池板和薄膜太陽能電池板。一般來說，晶體硅太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率較高，單晶體硅太陽能電池板最高可達24%，而薄膜太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率為12% 左右。因為目前太陽能板的效率較低，且不夠穩(wěn)定。因此，開發(fā)綠色環(huán)保、光電轉(zhuǎn)換效率高且節(jié)能的太陽能板是目前的一大熱點問題。由于透明木頭的高霧度特性，可以將其設計為光擴散層。高霧度意味著較大的散射角，從而增加了太陽能電池內(nèi)部光路的長度，以此增加光電轉(zhuǎn)換率。

同時，填充材料的不同可以為透明木頭帶來功能性的改變，不同顏色的顏料填充可以獲得各種顏色的透明木頭，拓展了透明木頭做成裝飾性家具以及工藝品的可能。不同顏色的透明木頭為裝飾制造業(yè)注入了新鮮的血液，書架、燈具、桌椅、墻板等等在生活中隨處可見的物品都是透明木頭可能應用的方向。相信這種新型材料的應用會為家具提供更為廣泛的材料選擇空間。

結(jié)語

透明木頭成功的重要意義在于：經(jīng)過一系列處理的透明木頭比一些常用透明材料（如玻璃）有更好的機械性能和熱學性能，且相對玻璃、塑料更容易降解。制備過程中使用的試劑和儀器不是特別昂貴，所以透明木頭的成本并不高。不過，透明木頭目前在大尺寸的生產(chǎn)上還有技術難關仍未突破，且透明木頭的透光率會隨木材的厚度增加而下降，解決這些問題還需要許多人的努力。它可以作為環(huán)保材料替換一些透明材料，前景值得期待。