一小時木板變“玻璃”，可圖案化透明木材能實現

這是一塊木板的“嬗變 ”，什么“魔法”可讓它從棕色變為透明？

隔著這塊板來看下面的花朵，透光度好得讓人以為它是玻璃板，但其實是 100% 的木板——樹脂復合物。

經木質素改性處理、以及樹脂填充后，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，并且具有優于玻璃的機械性能和隔熱性能，強度跟其他透明木頭類似。

假如房間的墻用這種木板，隔著墻也能看到藍色天空，這樣就能實現不用開窗就能看天氣。

這是“木頭大王”—— 馬里蘭大學材料科學與工程學院胡良兵教授團隊繼上次開發出具有美學圖案的新型透明木頭之后，再次推出的新一代的太陽能輔助合成的可圖案化透明木板。

相關論文以《太陽能輔助制造的大型可圖案化透明木材》為題發表在 《科學》雜志上，論文通訊作者是胡良兵，一作是一位九零后中國姑娘夏芹芹、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、1毫米厚的巴沙木板做成透明木板為例，處理時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光下一小時，這時雙氧水會漂白掉木質素的發色基團，并讓木質素大部分保持。

接著把將木材浸入乙醇中，以除凈木質素等殘留物。最后在木材孔隙中填充一種透明環氧樹脂，這種環氧樹脂專為航海使用、并且和木材細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，這遠高出天然木材 6%～36% 的透明度。由于使用到刷子和化學溶液，因此該方法可理解為 “化學刷”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：纖維素和木質素。纖維素，其實距離我們并不遙遠。當你把紙巾撕成兩半，沿撕開的邊緣就能看到少量纖維素纖維。而木質素則包含發色基團分子，這種分子使木材呈棕色并能阻止光通過。而纖維素纖維是空心管狀結構，空心管中的空氣會散射光，這進一步降低了木材透明度。

早期制造透明木材時，人們主要使用“氯化鈉溶液脫木素”法，這涉及到用危險化學品去除木質素，不僅需要高溫條件，還會耗費大量時間，成本昂貴且制備出來的木材比較脆。為避免上述情況，胡良兵團隊選擇改性木質素而不是去除木質素，并且本次使用的新技術，既便宜又容易，簡單到在自家院子就能完成。

而本次技術的原理在于，木頭發色基團主要由木質素產生、并能吸收紫外線，紫外線的激發還可讓木質素形成自由基。受益于木質素特性的啟發，該團隊使用紫外光激發、并使用雙氧水的氧化作用除掉木質素中的發色基團。

木材具有三維相互連接的多孔結構，且擁有直徑在 15～300 μm 之間的微通道，這種獨特的多孔結構可促進雙氧水的快速滲透、以及對紫外光的捕獲，最終有效去除光吸收發色基團。

透明木材的結構

“太極八卦”透明木板

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

這一過程并不難理解，把一張紙巾浸水后，紙巾透明度也會增加，這是因為填充滿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。

談及該技術的先進性，胡良兵教授說，這種借助陽光和化學刷洗的方法，能選擇性地處理木材樣品的指定區域，從而制備出不同圖案的透明木板。

該團隊做出多種具有不同圖案的透明木板，由于團隊成員多是華人，他們專門做出一張太極八卦圖案的木板。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，并進一步填充環氧樹脂，就可得到鏤空“A”字型木板。

他們還展示了具有更復雜幾何形狀的透明木材樣品，如兩個透明圓減去一個不透明的菱形，這表明使用該方法可實現具有任意圖案的透明木材。

鏤空“A”字型木板

這種制備方法不會完全破壞木質素的芳香結構，得到的透明木板具有 31.4～46.2MPa 的高拉伸強度，這比天然木材的拉伸強度高出 1.8倍～44.8 倍，且具有不到 4%的低光學吸收率、和 60%-80%的高光學濁度。

與此同時，改性后的木質素可被保留下來，據測試透明木板的木質素含量為 19.9%，僅比天然木材 23.5% 的木質素含量低出幾個百分點，這樣木質素就仍可有效結合和包裹纖維素纖維，從而保持木板的力學性能。透明木板的內部微通道直徑在 10～270 μm 之間，這意味著經處理后，其依然具備天然木材內部的多孔結構。

具有不同圖案的透明木板（英文圖示）

另據紅外光譜顯示，“化學刷 ”法不僅能降解木質素發色基團，還能保留木質素的芳香族骨架，這種骨架可為聚合物滲透提供強大支撐，并讓透明木板更具韌性。透明木板的電子顯微鏡圖像顯示，由于注入了透明環氧樹脂，透明木板可形成致密的結構，這可提高透光率、并抑制光散射。

在測量了天然木材和透明木材在 200 納米到 2000 納米之間的光學透射率之后發現，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光波長范圍（400nm～800nm）上具有約 90% 的高透。透明木材接近 0% 的吸收率，在可見光波長上也遠低于天然木材，這是由于去除了木質素的光吸收發色基團，使得幾乎所有可見光都能通過透明木材。

透明木板的光學性能和機械性能（英文圖示）

具備大規模制備能力：可制作透明墻體、或作為保護性覆蓋物

據該團隊介紹，透明木板已經可實現大規模快速制造。如下圖，在 1 小時太陽光照射下，就可產出三片長為 1m 的木質素改性木板，在被環氧樹脂滲透之后，最終可到的 400 mm × 110 mm × 1 mm 的透明木板。

本次制備方法產出的廢液為 30 毫升，且不會產生有毒氣體，而“氯化鈉溶液脫木素”法要產生 960 毫升廢液。因此，“化學刷”法的環保優勢更大。

透明木板具備大規模制備能力（英文圖示）

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

冬天時，玻璃窗戶是室內熱損失的主要來源，而透明木材隔熱性能更佳，而且制備過程中無需高溫，比起玻璃制備也更環保。

木材也是可再生能源，木材生長過程中，樹木通過呼吸二氧化碳釋放出氧氣，這對人類非常有益。在沙塵惡劣環境下，還可作為太陽能電池板的覆蓋物，讓其在有陽光的壞天氣下也能繼續發電。并且，木材的主要成分纖維素每年的產量是鋼的 20 倍。而透明木板的木材選擇范圍，也比較廣泛，橡樹、杉樹等都可以。

在成本上，與“溶液脫木素”法相比，化學刷具有更高的生產效率，更低的成本，并且更具可持續性和可控性。這是一種經濟高效的制造工藝，其中還可以使用天然太陽能。

談及該材料的未來應用，胡良兵表示，由于其獨特的層次結構、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，它有可能被廣泛應用于光電器件、節能建筑以及太陽能電池和觸摸面板等。（摘自美《深科技》）（編輯/費勒萌）