三十年前，德國的一位植物學(xué)家有一個(gè)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(xì)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(xué)的原因。這位材料科學(xué)家在瑞典 KTH 皇家理工學(xué)院工作，專門研究聚合物復(fù)合材料，并想要?jiǎng)?chuàng)造一種更堅(jiān)固的透明塑料替代品。他并不是唯一一個(gè)對(duì)木材的優(yōu)點(diǎn)感興趣的人。在大洋彼岸，馬里蘭大學(xué)的研究人員正忙于一個(gè)與此有關(guān)的目標(biāo)：將木材的強(qiáng)度用于非傳統(tǒng)目的。
現(xiàn)在，經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)，這些團(tuán)隊(duì)的研究正初見成效。透明木材很快就會(huì)用于智能手機(jī)的超強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室工作的南京林業(yè)大學(xué)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(xì)胞將水和養(yǎng)分輸送到整個(gè)樹上，當(dāng)樹木被砍伐并且水分蒸發(fā)時(shí)，就會(huì)留下空氣袋。為了制造透明木材，科學(xué)家們首先需要改進(jìn)或去除名為木質(zhì)素的膠水，這種膠水將細(xì)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(huì)留下乳白色的空心細(xì)胞骨架。
這個(gè)骨架仍然是不透明的，因?yàn)榧?xì)胞壁對(duì)光的彎曲程度與細(xì)胞囊中的空氣不同 —— 這個(gè)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(xì)胞壁相似，就可以使木材變得透明。
科學(xué)家們使用的材料很薄，通常不到 1mm~1cm 厚。但是這些細(xì)胞創(chuàng)造了一個(gè)堅(jiān)固的蜂窩結(jié)構(gòu)，微小的木纖維比最好的碳纖維更堅(jiān)固，馬里蘭大學(xué)帕克分校透明木材研究小組材料學(xué)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(qiáng)度是有機(jī)玻璃等透明塑料的三倍左右，比玻璃堅(jiān)韌約 10 倍。
“結(jié)果令人震驚，一塊木頭可以像玻璃一樣堅(jiān)固，”胡良兵說，他在 2023 年材料研究年度回顧中強(qiáng)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?yàn)樗⑸淞烁嗟墓饩€。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(jí)薄片可以透過 80% 至 90% 的光線。當(dāng)厚度接近一厘米時(shí)，透光率會(huì)下降：伯格倫德的團(tuán)隊(duì)報(bào)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(qiáng)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(fēng)中使用了類似的去木質(zhì)素工藝，但保留了一點(diǎn)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(yīng)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(xué)院瓦拉納西的生化工程師普羅迪尤特?達(dá)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(dǎo)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(duì)節(jié)能建筑很有用。瑞典 RISE 研究所的材料科學(xué)家席琳?蒙塔納里（Céline Montanari）及其同事對(duì)相變材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，當(dāng)它們從固體變?yōu)橐后w時(shí)，相變材料會(huì)從儲(chǔ)存熱量轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫艧崃浚粗嗳?。例如，通過摻入聚乙二醇，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)他們的木材可以在溫暖時(shí)儲(chǔ)存熱量，并在冷卻時(shí)釋放熱量。
因此，透明木窗會(huì)比傳統(tǒng)玻璃更堅(jiān)固，更有助于溫度控制，但透過它們的視野會(huì)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(gè)優(yōu)勢：由于較厚的木材很堅(jiān)固，它可以成為部分承重的光源，伯格倫德說它可能充當(dāng)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(xué)院和佐治亞理工學(xué)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(lì)改變顏色的物質(zhì)）夾在涂有電極聚合物導(dǎo)電的透明木材層之間。這創(chuàng)造了一種木板，當(dāng)用戶運(yùn)行小電流通過它時(shí)，它會(huì)從透明變成洋紅色。
最近，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)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(rèn)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(tuán)隊(duì)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(xué)物質(zhì)）。研究人員在 2021 年發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》期刊上報(bào)告說，即使有果味填充料，這種生物基透明木材仍保持其機(jī)械和光學(xué)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(shí)，胡的實(shí)驗(yàn)室最近在《科學(xué)進(jìn)展》上報(bào)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(jìn)一步降低了生產(chǎn)的能源需求。該團(tuán)隊(duì)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(qiáng)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(xué)品和化石基聚合物的數(shù)量，但根據(jù)達(dá)爾及其同事分析目前看來，玻璃對(duì)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(kuò)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(shí)間。但是他們對(duì)此充滿信心，并相信它成為一種可持續(xù)材料的潛力。
“當(dāng)你試圖實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性時(shí)，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(xué)家，我想超越這一點(diǎn)”。
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(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Jude Coleman
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