透明木材的前世今生
三十年前，德国的一位植物学家有一个简单的愿望：在不解剖木本植物的前提下观察它们的内部结构。通过漂白植物细胞中的色素，齐格弗里德・芬克（Siegfried Fink）设法创造了透明的木材，并在专业木材技术期刊上发表了他的技术。十多年来，这篇发表于 1992 年的论文一直在透明木材领域占有权威地位，直到一位名叫拉尔斯・伯格伦德（Lars Berglund）的研究人员偶然发现了它。
伯格伦德受芬克的启发，但不是出于植物学的原因。这位材料科学家在瑞典 KTH 皇家理工学院工作，专门研究聚合物复合材料，并想要创造一种更坚固的透明塑料替代品。他并不是唯一一个对木材的优点感兴趣的人。在大洋彼岸，马里兰大学的研究人员正忙于一个与此有关的目标：将木材的强度用于非传统目的。
现在，经过多年的实验，这些团队的研究正初见成效。透明木材很快就会用于智能手机的超强屏幕，柔和、发光的灯具，甚至作为结构特征，例如变色窗。
“我真的相信这种材料有光明的未来，”曾作为研究生在伯格伦德实验室工作的南京林业大学的木材纳米技术专家傅启亮表示。
木头由无数小的垂直通道组成，就像一捆用胶水紧紧绑在一起的稻草。这些管状细胞将水和养分输送到整个树上，当树木被砍伐并且水分蒸发时，就会留下空气袋。为了制造透明木材，科学家们首先需要改进或去除名为木质素的胶水，这种胶水将细胞束固定在一起，并为树干和树枝提供大部分土褐色颜料。在漂白木质素的颜色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，因为细胞壁对光的弯曲程度与细胞囊中的空气不同 —— 这个值被称为折射率。用环氧树脂等物质填充气孔，使光线的弯曲程度到与细胞壁相似，就可以使木材变得透明。
科学家们使用的材料很薄，通常不到 1mm~1cm 厚。但是这些细胞创造了一个坚固的蜂窝结构，微小的木纤维比最好的碳纤维更坚固，马里兰大学帕克分校透明木材研究小组材料学家胡良兵表示。添加树脂后，透明木材的性能优于塑料和玻璃：在测量材料受压破裂或断裂的难易程度的测试中，透明木材的强度是有机玻璃等透明塑料的三倍左右，比玻璃坚韧约 10 倍。
“结果令人震惊，一块木头可以像玻璃一样坚固，”胡良兵说，他在 2023 年材料研究年度回顾中强调了透明木材的特征。
该过程也适用于较厚的木材，但通过该物质的视野更模糊，因为它散射了更多的光线。在 2016 年起初的研究中，胡和伯格伦德都发现，用树脂填充木骨架的毫米级薄片可以透过 80% 至 90% 的光线。当厚度接近一厘米时，透光率会下降：伯格伦德的团队报告说，3.7 毫米厚的木材（大约两便士厚）只透过了 40% 的光。
该材料的纤薄外形和强度意味着它可以成为薄且易碎的塑料或玻璃制品（如显示屏）的绝佳替代品。例如，法国公司 Woodoo 在其木屏风中使用了类似的去木质素工艺，但保留了一点木质素以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摸感应数字显示器。
但大多数研究都集中在将透明木材用作建筑的窗户，印度理工学院瓦拉纳西的生化工程师普罗迪尤特・达尔（Prodyut Dhar）说，透明木材是比玻璃更好的绝缘体，因此它可以帮助建筑物保持热量或阻挡热量。2019 年胡及其同事还使用聚乙烯醇（PVA）—— 一种用于胶水和食品包装的聚合物 —— 渗透到木材骨架中，使透明木的导热速度比玻璃低五倍。
研究人员正在提出其他调整，来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席琳・蒙塔纳里（Céline Montanari）及其同事对相变材料进行了实验，当它们从固体变为液体时，相变材料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温暖时储存热量，并在冷却时释放热量。
因此，透明木窗会比传统玻璃更坚固，更有助于温度控制，但透过它们的视野会很朦胧，更类似于磨砂玻璃而不是普通窗户。然而，如果用户想要漫射光，朦胧可能是一个优势：由于较厚的木材很坚固，它可以成为部分承重的光源，伯格伦德说它可能充当天花板，为房间提供柔和的环境光。
胡良兵和伯格伦德一直在研究如何赋予透明木材新的特性。大约五年前，伯格伦德及其瑞典皇家理工学院和佐治亚理工学院的同事发现，透明木材可以模仿智能窗户，这种窗户可以从透明切换到有色，以降低能见度或阻挡太阳光线。研究人员将一种电致变色聚合物（一种可以通过外加电激励改变颜色的物质）夹在涂有电极聚合物导电的透明木材层之间。这创造了一种木板，当用户运行小电流通过它时，它会从透明变成洋红色。
最近，这两个实验团队已将研究重心转移到透明木材生产的环保问题上。例如，蒙塔纳里认为用于填充木脚手架的树脂通常是石油衍生的塑料产品，最好避免使用它。作为替代品，她和同事们发明了一种源自柑橘皮的完全生物基的聚合物。该团队首先将丙烯酸和柠檬烯结合在一起，存在于精油中，然后用它浸渍了脱木质素的木材（柠檬烯是一种从柠檬和橙皮中提取的化学物质）。研究人员在 2021 年发表在《先进科学》期刊上报告说，即使有果味填充料，这种生物基透明木材仍保持其机械和光学特性，相比普通木材，能够承受约 30 兆帕的压力，并透射约 90% 的光。
与此同时，胡的实验室最近在《科学进展》上报道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，进一步降低了生产的能源需求。该团队用过氧化氢刷洗厚度约为 0.5 至 3.5 毫米的木片，然后将它们放在紫外线灯前以模仿太阳光线。紫外线漂白了木质素中含有色素的部分，但保留了结构部分，从而有助于在木材中保持更多的强度。
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基聚合物的数量，但根据达尔及其同事分析目前看来，玻璃对环境的影响仍然低于透明木材。研究人员表示，采用更环保的生产方案和扩大生产规模是将透明木材推向主流市场的必要步骤，但这需要时间。但是他们对此充满信心，并相信它成为一种可持续材料的潜力。
“当你试图实现可持续性时，你不仅要与化石基材料的特性相匹配，”蒙塔纳里说，“作为一名科学家，我想超越这一点”。
作者：Jude Coleman
翻译：Sheri
审校：悦悦
原文链接：Why scientists are making transparent wood
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Jude Coleman