這是一塊木板的“嬗變 ”，什么“魔法”可讓它從棕色變?yōu)橥该鳎?/p>

隔著這塊板來(lái)看下面的花朵，透光度好得讓人以為它是玻璃板，但其實(shí)是 100% 的木板——樹(shù)脂復(fù)合物。

經(jīng)木質(zhì)素改性處理、以及樹(shù)脂填充后，木板可擁有類似玻璃的透明度，它能穿透自然界中 90%以上的光線，并且具有優(yōu)于玻璃的機(jī)械性能和隔熱性能，強(qiáng)度跟其他透明木頭類似。

假如房間的墻用這種木板，隔著墻也能看到藍(lán)色天空，這樣就能實(shí)現(xiàn)不用開(kāi)窗就能看天氣。

這是“木頭大王”—— 馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院胡良兵教授團(tuán)隊(duì)繼上次開(kāi)發(fā)出具有美學(xué)圖案的新型透明木頭之后，再次推出的新一代的太陽(yáng)能輔助合成的可圖案化透明木板。

相關(guān)論文以《太陽(yáng)能輔助制造的大型可圖案化透明木材》為題發(fā)表在 《科學(xué)》雜志上，論文通訊作者是胡良兵，一作是一位九零后中國(guó)姑娘夏芹芹、以及胡良兵課題組博士后陳朝吉博士。

制備：木板何以變透明？

在具體操作中，以把一塊 1米長(zhǎng)、1毫米厚的巴沙木板做成透明木板為例，處理時(shí)先在木板表面用雙氧水刷一遍。

涂抹雙氧水

然后暴露于紫外線燈光或陽(yáng)光下一小時(shí)，這時(shí)雙氧水會(huì)漂白掉木質(zhì)素的發(fā)色基團(tuán)，并讓木質(zhì)素大部分保持。

接著把將木材浸入乙醇中，以除凈木質(zhì)素等殘留物。最后在木材孔隙中填充一種透明環(huán)氧樹(shù)脂，這種環(huán)氧樹(shù)脂專為航海使用、并且和木材細(xì)胞壁的折射率相匹配，木板被填充并硬化后，一塊擁有 90% 透明度的木板就誕生了，這遠(yuǎn)高出天然木材 6%～36% 的透明度。由于使用到刷子和化學(xué)溶液，因此該方法可理解為 “化學(xué)刷”法。

晾曬

透明木材的制備步驟（英文圖示）

脫色木板誕生

木材本身并不透明，這和它的兩種基本組成成分有關(guān)：纖維素和木質(zhì)素。纖維素，其實(shí)距離我們并不遙遠(yuǎn)。當(dāng)你把紙巾撕成兩半，沿撕開(kāi)的邊緣就能看到少量纖維素纖維。而木質(zhì)素則包含發(fā)色基團(tuán)分子，這種分子使木材呈棕色并能阻止光通過(guò)。而纖維素纖維是空心管狀結(jié)構(gòu)，空心管中的空氣會(huì)散射光，這進(jìn)一步降低了木材透明度。

早期制造透明木材時(shí)，人們主要使用“氯化鈉溶液脫木素”法，這涉及到用危險(xiǎn)化學(xué)品去除木質(zhì)素，不僅需要高溫條件，還會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，成本昂貴且制備出來(lái)的木材比較脆。為避免上述情況，胡良兵團(tuán)隊(duì)選擇改性木質(zhì)素而不是去除木質(zhì)素，并且本次使用的新技術(shù)，既便宜又容易，簡(jiǎn)單到在自家院子就能完成。

而本次技術(shù)的原理在于，木頭發(fā)色基團(tuán)主要由木質(zhì)素產(chǎn)生、并能吸收紫外線，紫外線的激發(fā)還可讓木質(zhì)素形成自由基。受益于木質(zhì)素特性的啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)使用紫外光激發(fā)、并使用雙氧水的氧化作用除掉木質(zhì)素中的發(fā)色基團(tuán)。

木材具有三維相互連接的多孔結(jié)構(gòu)，且擁有直徑在 15～300 μm 之間的微通道，這種獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)可促進(jìn)雙氧水的快速滲透、以及對(duì)紫外光的捕獲，最終有效去除光吸收發(fā)色基團(tuán)。

透明木材的結(jié)構(gòu)

“太極八卦”透明木板

而且，太陽(yáng)能是地球上最豐富的能源，部分太陽(yáng)能由紫外線（UV）輻射組成，因此太陽(yáng)光可在短時(shí)間內(nèi)使木材脫色并獲得透明木材。

這一過(guò)程并不難理解，把一張紙巾浸水后，紙巾透明度也會(huì)增加，這是因?yàn)樘畛錆M紙張孔的水具有比原先填充的空氣更接近纖維素的折射率，從而降低入射光的散射，使紙巾變成半透明。

談及該技術(shù)的先進(jìn)性，胡良兵教授說(shuō)，這種借助陽(yáng)光和化學(xué)刷洗的方法，能選擇性地處理木材樣品的指定區(qū)域，從而制備出不同圖案的透明木板。

該團(tuán)隊(duì)做出多種具有不同圖案的透明木板，由于團(tuán)隊(duì)成員多是華人，他們專門做出一張?zhí)珮O八卦圖案的木板。做法是用刷子蘸取雙氧水，在木板上刷出“A”字型，放置在紫外光線下照射一小時(shí)，并進(jìn)一步填充環(huán)氧樹(shù)脂，就可得到鏤空“A”字型木板。

他們還展示了具有更復(fù)雜幾何形狀的透明木材樣品，如兩個(gè)透明圓減去一個(gè)不透明的菱形，這表明使用該方法可實(shí)現(xiàn)具有任意圖案的透明木材。

鏤空“A”字型木板

這種制備方法不會(huì)完全破壞木質(zhì)素的芳香結(jié)構(gòu)，得到的透明木板具有 31.4～46.2MPa 的高拉伸強(qiáng)度，這比天然木材的拉伸強(qiáng)度高出 1.8倍～44.8 倍，且具有不到 4%的低光學(xué)吸收率、和 60%-80%的高光學(xué)濁度。

與此同時(shí)，改性后的木質(zhì)素可被保留下來(lái)，據(jù)測(cè)試透明木板的木質(zhì)素含量為 19.9%，僅比天然木材 23.5% 的木質(zhì)素含量低出幾個(gè)百分點(diǎn)，這樣木質(zhì)素就仍可有效結(jié)合和包裹纖維素纖維，從而保持木板的力學(xué)性能。透明木板的內(nèi)部微通道直徑在 10～270 μm 之間，這意味著經(jīng)處理后，其依然具備天然木材內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)。

具有不同圖案的透明木板（英文圖示）

另?yè)?jù)紅外光譜顯示，“化學(xué)刷 ”法不僅能降解木質(zhì)素發(fā)色基團(tuán)，還能保留木質(zhì)素的芳香族骨架，這種骨架可為聚合物滲透提供強(qiáng)大支撐，并讓透明木板更具韌性。透明木板的電子顯微鏡圖像顯示，由于注入了透明環(huán)氧樹(shù)脂，透明木板可形成致密的結(jié)構(gòu)，這可提高透光率、并抑制光散射。

在測(cè)量了天然木材和透明木材在 200 納米到 2000 納米之間的光學(xué)透射率之后發(fā)現(xiàn)，與天然木材的透射率（L<6%，T<36%）相比，沿 L 和 T 方向的透明木材在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍（400nm～800nm）上具有約 90% 的高透。透明木材接近 0% 的吸收率，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)上也遠(yuǎn)低于天然木材，這是由于去除了木質(zhì)素的光吸收發(fā)色基團(tuán)，使得幾乎所有可見(jiàn)光都能通過(guò)透明木材。

透明木板的光學(xué)性能和機(jī)械性能（英文圖示）

具備大規(guī)模制備能力：可制作透明墻體、或作為保護(hù)性覆蓋物

據(jù)該團(tuán)隊(duì)介紹，透明木板已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？焖僦圃臁Ｈ缦聢D，在 1 小時(shí)太陽(yáng)光照射下，就可產(chǎn)出三片長(zhǎng)為 1m 的木質(zhì)素改性木板，在被環(huán)氧樹(shù)脂滲透之后，最終可到的 400 mm × 110 mm × 1 mm 的透明木板。

本次制備方法產(chǎn)出的廢液為 30 毫升，且不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，而“氯化鈉溶液脫木素”法要產(chǎn)生 960 毫升廢液。因此，“化學(xué)刷”法的環(huán)保優(yōu)勢(shì)更大。

透明木板具備大規(guī)模制備能力（英文圖示）

胡良兵說(shuō)：“這種透明木材不僅比玻璃輕，還比玻璃堅(jiān)固，并且更加隔熱，可作為承重的窗戶和屋頂，也可用來(lái)建造透明房子?！?比如，可作為機(jī)場(chǎng)、博物館等公共場(chǎng)合的墻體材料，相比玻璃的易脆性，往透明木頭墻體上扔石頭，也不會(huì)造成損害。當(dāng)然，不是所有人都愿意住透明房子。

冬天時(shí)，玻璃窗戶是室內(nèi)熱損失的主要來(lái)源，而透明木材隔熱性能更佳，而且制備過(guò)程中無(wú)需高溫，比起玻璃制備也更環(huán)保。

木材也是可再生能源，木材生長(zhǎng)過(guò)程中，樹(shù)木通過(guò)呼吸二氧化碳釋放出氧氣，這對(duì)人類非常有益。在沙塵惡劣環(huán)境下，還可作為太陽(yáng)能電池板的覆蓋物，讓其在有陽(yáng)光的壞天氣下也能繼續(xù)發(fā)電。并且，木材的主要成分纖維素每年的產(chǎn)量是鋼的 20 倍。而透明木板的木材選擇范圍，也比較廣泛，橡樹(shù)、杉樹(shù)等都可以。

在成本上，與“溶液脫木素”法相比，化學(xué)刷具有更高的生產(chǎn)效率，更低的成本，并且更具可持續(xù)性和可控性。這是一種經(jīng)濟(jì)高效的制造工藝，其中還可以使用天然太陽(yáng)能。

談及該材料的未來(lái)應(yīng)用，胡良兵表示，由于其獨(dú)特的層次結(jié)構(gòu)、高電阻率和良好的光管理特性，透明木材也將成為一種新興材料。因此，它有可能被廣泛應(yīng)用于光電器件、節(jié)能建筑以及太陽(yáng)能電池和觸摸面板等。（摘自美《深科技》）（編輯/費(fèi)勒萌）