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情况下了解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·芬克成功地 创建透明木材，他在一本利基木材技术期刊上发表了他的技术。这篇 1992 年的论文十多年来一直是透明木材的最后定论，直到一位名叫 Lars Berglund 的研究人员偶然发现了它。
伯格伦德受到芬克的发现的启发，但并非出于植物学原因。这位在瑞典皇家理工学院工作的材料科学家专门研究聚合物复合材料，并对创造一种更坚固的透明塑料替代品感兴趣。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实现一个相关的目标：利用木材的强度用于非传统用途。
现在，经过多年的实验，这些小组的研究开始取得成果。透明木材很快就会在智能手机的超强屏幕中得到应用；柔和发光的灯具；甚至是结构特征，例如变色窗户。
“我坚信这种材料有着广阔的前景，”中国南京林业大学木材纳米技术专家、在伯格伦德实验室工作的研究生傅其亮说道。
木材由无数垂直的小通道组成，就像用胶水粘合在一起的一捆紧密的稻草。这些管状细胞将水和营养物质输送到各处 一颗树，当树木被采伐并且水分蒸发时，会留下一些空气。为了制造透明的木材，科学家首先需要修改或去除称为木质素的胶水，这种胶水将细胞束固定在一起，并为树干和树枝提供了大部分土棕色色调。在漂白或以其他方式去除木质素的颜色后，留下了乳白色的空心细胞骨架。
这个骨架仍然是不透明的，因为细胞壁对光线的弯曲程度与细胞袋中的空气不同，这个值称为折射率。用环氧树脂等物质填充气穴，这种物质可以使光线弯曲到与细胞壁相似的程度，从而使木材变得透明。
科学家们使用的材料很薄——通常厚度不到一毫米到一厘米左右。但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表示，这些细胞形成了坚固的蜂窝结构，而且微小的木纤维比最好的碳纤维还要坚固。添加了树脂后，透明木材的性能优于塑料和玻璃：在测量材料在压力下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，比玻璃的坚韧程度约为玻璃的 10 倍。
“结果令人惊讶，一块木头可以像玻璃一样坚固，”胡说，他强调了这一点 透明木的特点 在2023 材料研究年度回顾.
该过程也适用于较厚的木材，但透过该物质的视野会更模糊，因为它会散射更多的光。在 2016 年的最初研究中，Hu 和 Berglund 都发现，毫米薄的树脂填充木骨架片可以让 80% 到 90% 的光线透过。随着厚度接近一厘米，透光率下降：伯格伦德的研究小组报告说，3.7 毫米厚的木材（大约两便士厚）只能透射 40% 的光。
这种材料的纤薄外形和强度意味着它可以成为由薄而易碎的塑料或玻璃制成的产品（例如显示屏）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，但留下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敏感数字显示器。
但印度瓦拉纳西理工学院的生化工程师普罗迪特·达尔 (Prodyut Dhar) 表示，大多数研究都集中在透明木材作为一种建筑特征，其中窗户的用途特别有前景。透明木材是比玻璃更好的隔热体，因此它可以帮助建筑物保留或阻挡热量。 Hu 和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）来渗透木材骨架，制造出能够以一定速率导热的透明木材。 比玻璃低五倍， 该团队于 2019 年在 高级功能材料.
研究人员正在提出其他调整措施，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 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，它们会从储存热量转变为释放热量，反之亦然。例如，通过加入聚乙二醇，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，他们发表在 ACS应用材料和接口 在2019中。
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，更类似于毛玻璃。然而，如果用户想要漫射光，那么朦胧可能是一个优势：伯格伦德说，由于较厚的木材坚固，因此它可能是部分承重光源，可能充当天花板，为房间提供柔和的环境光。
胡和伯格伦德继续尝试赋予透明木材新特性的方法。大约五年前，伯格伦德和 KTH 和佐治亚理工学院的同事发现他们可以模仿 智能窗户，它可以从透明切换到有色，以阻挡可见度或太阳光线。研究人员将电致变色聚合物（一种可以通过电流改变颜色的物质）夹在涂有电极聚合物以导电的透明木材层之间。这创造了 一块会变化的木板 当用户通过小电流时，颜色会从透明变为洋红色。
最近，这两个团体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，用于填充木脚手架的树脂通常是石油衍生的塑料产品，因此最好避免使用它。作为替代品，她和同事发明了一种完全生物基聚合物， 源自柑橘皮。 该团队首先将丙烯酸和柠檬烯结合在一起，柠檬烯是一种从柠檬和橙子皮中提取的化学物质，存在于精油中。然后他们用它浸渍去木质素的木材。研究人员在 30 年的《90 年研究报告》中报告称，即使使用果味填充物，这种生物基透明木材仍能保持其机械和光学特性，比普通木材能承受约 2021 兆帕的压力，并能透射约 XNUMX% 的光。 高级科学.
与此同时，胡的实验室最近在 科学进展 a 更环保的木质素漂白方法 它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。研究小组用过氧化氢刷了厚度约 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颜料的部分，但使结构部分完好无损，从而有助于保持木材的更多强度。
根据 Dhar 及其同事的一项分析，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聚合物的数量，但就目前而言，玻璃的报废环境影响仍然低于透明木材。 总环境科学。研究人员表示，拥抱绿色生产计划和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，但这需要时间。然而，他们相信这是可以做到的，并相信其作为可持续材料的潜力。
“当你试图实现可持续性时，你不仅仅想要匹配化石材料的特性，”蒙塔纳里说。 “作为一名科学家，我想超越这一点。”
