科学家造出了透明木材，它能用来做什么？_腾讯新闻
作者 Jude Coleman
翻译 宋秋舸
编辑 魏潇
三十年前，一位来自德国的植物学家有一个简单的愿望：可以在不剖开木本植物的情况下，观察它们的内部运作方式。通过漂白植物细胞中的色素，齐格弗里德·芬克（Siegfried Fink）成功地创造出了透明木材，并在小圈子里的一本木材技术期刊上发表了他的成果。十多年来，这篇 1992 年的论文一直是透明木材领域的唯一的权威之作，直到一位名叫拉斯·伯格伦德（Lars Berglund）的研究者偶然读到了它。
伯格伦德受到了芬克的启发，但并非出于植物学的原因。这位材料科学家在瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）工作，专注于聚合物复合材料，对创造一种更坚固的透明塑料替代材料感兴趣。他并非唯一一个被木材的优点吸引的人。在大洋彼岸，美国马里兰大学（University of Maryland）的研究者们正在致力于实现一个与此相关的目标：利用木材的强度来实现非传统用途。
如今，在经过多年的实验后，这些团队的研究开始见到成果。这些透明木材可能很快会被应用在智能手机的超强屏幕、发光柔和的灯具，甚至是特色建筑结构，例如变色窗户中。
“我坚信这种材料有着广阔的前景，”曾在伯格伦德实验室攻读研究生的中国南京林业大学木材纳米技术专家符启良表示。
木材由无数纵向的小通道组成，就像用胶水紧密粘在一起的一捆稻草。这些管状细胞将水和养分输送给整根树木，当树木被砍伐下来水分蒸发后，会留下一些气穴。为了制造透明木材，科学家们首先需要修改或去除木质素——这种物质将细胞束固定在一起，树干和树枝的土褐色也是它带来的。在将木质素的颜色漂掉或以其他方式去除它后，会留下乳白色的空心细胞骨架。这个骨架仍然是不透明的，因为细胞壁存在折射率。用环氧树脂等物质填充细胞空穴，使光线弯曲到与细胞壁相似的程度，才能使木材透明。
科学家们使用的材料很薄，厚度通常在一毫米到一厘米之间。但是这些细胞创造了一个坚固的蜂窝结构，添加树脂后，透明木材的性能优于塑料和玻璃：在材料受压破裂难易度的测试中，透明木材的强度是有机玻璃等透明塑料的三倍左右，是玻璃坚的10倍。
马里兰大学帕克分校透明木材研究小组的领导材料科学家胡良兵在《材料研究年鉴》
（
Annual Review of Materials Research）
发表的论文中，强调了透明木材的特点："结果令人震惊，一块木头竟然可以和玻璃一样坚固。"
透明木材通常保留其木纹，赋予自然美感。这件作品由马里兰大学帕克分校的科学家制作，看起来像毛玻璃，但绝缘性更好。HU GROUP / UNIVERSITY OF MARYLAND COLLEGE PARK
该过程也适用于较厚的木材，但这种物质的穿透视野更模糊，因为它会散射更多的光线。在 胡良兵和伯格伦德2016 年最初的研究中，他们都发现到，填充了树脂的毫米级厚度木材骨架能够透过 80%~90% 的光。随着厚度接近一厘米，透光率下降：伯格伦的团队报告说，3.7 毫米厚的木材（大约两个 1 元硬币厚），只透过了 40% 的光。
这种材料的纤薄外观和强度意味着它可能是薄而易碎的塑料或玻璃制品（如显示屏等）的绝佳替代品。例如，法国公司 Woodoo 在其木质屏风中使用了类似的木质素去除工艺，但没有完全去除，而是保留了一些木质素用来创造不同的色彩美感。该公司正在为汽车仪表板和广告牌等产品定制可回收的触屏数字显示器。
然而，大多数研究都集中在透明木材作为特色建筑结构的应用上，其中在窗户方面的用途特别有前景。印度理工学院瓦拉纳西分校（Indian Institute of Technology Varanasi）的生物化工工程师普罗达·达尔（Prodyut Dhar）表示，透明木材比玻璃拥有更好的绝缘性能，因此它可以帮助建筑物保温或隔热。胡良兵的团队在 2019 年发表于《先进功能材料》
（
Advanced Functional Materials）
的论文中称，他们使用聚乙烯醇（PVA，一种用于胶水和食品包装的聚合物）来渗透木材骨架，制造出导热率比玻璃低五倍的透明木材。
目前，研究人员正在考虑其他调整措施，以提高木材保持或释放热量的能力，这对节能建筑很有用。瑞典 RISE 研究所的材料科学家赛利纳·蒙塔纳里（Céline Montanari）及同事对相变材料进行实验后发现，当这些材料从固体变为液体时，它们会从储存热量转变为释放热量，反之亦然。例如，通过掺入聚乙二醇，科学家们发现他们的木材可以在加热时储存热量，并在冷却时释放热量，这项工作 2019 年发表于《ACS 应用材料与界面》
（
ACS Applied Materials and Interfaces）
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人们已经探索了多种树种用于工程透明木材，包括轻木、橡胶木、桦木、松树和杨树。
因此，透明木窗比传统玻璃更坚固，更有助于温度控制，但透过它们看到的景色会很模糊，与普通窗户相比，它更像是毛玻璃。然而，如果用户想要漫射光线，那么朦胧感可能是透明木材的一个优势：伯格伦德说，由于较厚的木材强度更高，因此它可能会在提供光源的同时发挥部分承重作用，例如充当天花板，为房间提供柔和的环境光。
胡良兵和伯格伦德一直在琢磨如何赋予透明木材新的性质。大约五年前，伯格伦德和瑞典皇家理工学院以及美国佐治亚理工学院的同事们发现，这种材料可以模仿智能窗户，从透明变为彩色，以阻挡太阳光或降低能见度。研究人员将电致变色聚合物（一种可以随电流改变颜色的物质）夹在涂有电极聚合物、能传导电流的透明木材层之间。当用户运行并施加小电流时，这块木板就会从透明变为洋红色。
最近，这两个研究团队已将注意力转向提高透明木材生产的可持续性。例如，蒙塔纳里说，用于填充木材骨架的树脂材料通常是石油衍生而来的塑料产品，因此最好不要使用它。作为替代品，她和同事发明了一种从柑橘皮中提取的完全生物基聚合物。该团队首先将丙烯酸和柠檬烯（一种从柠檬和橙皮中提取的化学物质，存在于精油中）结合起来，然后用它浸渍需要脱木质素的木材。即使使用了来自水果的填充物，生物基透明木材仍然保持着机械和光学性能，能够承受比普通木材多 30 兆帕左右的压力，并能透射约 90% 的光。这项工作于 2021 年发表于《先进科学》
（
Advanced Science）
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与此同时，胡良兵的实验室最近在《科学进展》
（
Science Advances）
上发表了一种更环保的木质素漂白方法，该方法依靠过氧化氢和紫外线辐射，进一步降低了产品生产过程的能源需求。研究团队用过氧化氢涂在厚度约 0.5 至 3.5 毫米的木片上，然后将它们放在紫外灯前，模拟太阳光照。他们发现，紫外线漂白了木质素中含有色素的部分，但保留了该物质的结构完整性，从而有助于保持木材的更高的强度。
科学家们用过氧化氢（上）将“木材”一词涂在一块木头上，然后用紫外线漂白了这个部分（中），下图是使用环氧树脂处理的透明木材。图案清晰的板材与透明部分和不透明部分形成鲜明对比。来源：Q. XIA ET AL / SCIENCES ADVANCES 2021
这些更环保的方法有助于限制生产中使用的有毒化学品和化石燃料衍生聚合物的数量，但达尔团队发布在《整体环境科学》
（
Science of the Total Environment）
上的分析结果表明，就目前而言，与透明木材相比，玻璃仍然在报废后具有更少的环境负面影响。研究人员表示，采用更环保的生产方案并扩大生产规模是将透明木材推向主流市场所必需的两个步骤，但这仍然需要时间。然而，他们相信这是可以做到的，并相信透明木材具有可持续发展的潜力。
"在追求可持续性的材料时，我不仅仅是需要它具备化石材料的特性，"蒙塔纳里说道。"作为一名科学家，我更希望它最终能超越化石材料。"
