CMF实验室 | 华人科学家造出超硬核“透明木材”，未来能完全替代玻璃？

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为什么要研发透明木材？

住宅、商业建筑照明和调节室内温度消耗的能源占了总的将近40%。其中，普通玻璃作为一种重要的建筑材料，对室内能耗有重要的影响。若是玻璃具有很高的总透光率，则增大自然光进入而减少人造光的使用。但是玻璃具有较高的导热系数，导致热损失较高和能量效率较低。因此，迫切需要提高玻璃的隔热性能，或开发兼具优异隔热性能和光学性能的透明材料来替代玻璃。

而透明木材被证明具有高透光率、可调光雾和良好的隔热性能，是一种很有前途的建筑材料。但是透明木质材料通常有很高的雾度，是替代玻璃进行实际应用的主要障碍。

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谁研发了透明木材？

这项研究成果发表在美国《先进材料》杂志上。

胡良兵副教授等人首先去除木头中有颜色的木素成分，然后填充光折射率匹配材料环氧树脂，实现了木头在光学上的透明。测试结果表明，总透光率可以达到90％。据胡良兵介绍，透明木头具有比原始木头更高的强度，相比玻璃、塑料更加环保，还具有这些常用透明材料不具备的一些独特光学特性。来自中国南京大学的访问学者祝名伟是该研究的第一作者。

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木材怎么变透明？

透明木材的制备通过要经过脱色和透明化两大部分的处理。

（1）脱色处理：

脱色处理是为了去除木材中吸光物质木质素，还能增加木材的孔隙率，为后续树脂的浸渍提供更多通道。木质素在木材细胞中起到支撑和粘结的作用，因此在去除木质素的同时要避免因木质素脱去而使木材分散成纤维，这是透明木材制备的难点之一。脱色方法主要有氯酸盐法、亚氯酸盐法、亚硫酸盐法、酶处理法。

次氯酸盐是常用的漂白剂，用它脱除木质素主要是氧化反应和氯化反应。亚氯酸盐脱木质素是在酸性条件下进行的，生成不稳定的亚氯酸，能与木质素作用并使其降解溶出。生物酶是通过酶来降解木质素来脱色的。

（2）透明化处理：

木材在进行脱色处理后会呈现白色，还并没有透明。脱色之后保存在蒸馏水中，这时木材细胞壁的主要成分为纤维素和半纤维素，这些物质和木材间隙中的蒸馏水折射率相差较大，透明化处理主要是调整其折射率。首先对木材进行脱水，再向木材中的孔道内填充与纤维素折射率相近的树脂，浸渍、固化。

目前主要使用的脱水方法是使用无毒易挥发的有机溶剂对水进行1：1的置换，保证脱水后木材原有的形态不变，且孔道不收缩。浸渍树脂要求本身透明无光吸收，与木纤维的折射率相近，且与母纤维有良好的相容性，主要使用的树脂包括环氧树脂、甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯吡络烷酮等。

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透明木材的特性

（1）强度高。透明木材的强度比未处理的原木要高4至6倍，相比玻璃的强度更好。

（2）透光率高。透光率越高，物体越透明。研究表明，透明木材甚至比玻璃还能透过更多光线。影响透明木材透光率的因素主要是树脂与木质纤维素折射率没有完全匹配。

（3）易降解。木材本身就是生物质材料，具有可降解性，这使得透明木材的使用更加具有绿色环保特性。

（4）热导率低。透明木材能够吸收、储存和释放热量，不但能制作家具，还是很有潜力的新型低能耗建筑材料。

（5）朦胧感。透明木材的透明度可以通过添加聚乙二醇、丙烯酸等聚合物来调节来达到不同的朦胧感，且透明木材在释放热量后会变得有一些朦胧。

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可图案化的透明木材

化学刷涂结合紫外线照射技术，能够选择性地漂白指定区域的木材样品，制备出具有不同图案的透明木材。

利用天然木材(6~36%)与透明木材(~90%)的不同透光率，还可以选择性地对透明木材进行精确的构图。首先，用刷子在天然木材样品上用H2O2作为一种“墨水”来绘制所需的图案。然后，这些区域被紫外线照射，变成白色。然后将环氧树脂渗透到木质素改性木材的微通道中，得到具有理想图案的透明木材。

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透明木材的落地量产

胡良兵担任联合创始人的 InventWood 公司，正在对该材料进行产业化。比较常见的应用场景，如机场墙体、博物馆墙壁、玻璃屋顶、以及室内天花板，美观木材可以很好地满足这些场合的美观度要求。

目前，已经在实验室做出了尺寸为 320mm * 170mm * 0.6mm 的样品。据介绍，美观木材的实验室制备成本很便宜，未来有望大规模制备。美观木材距离真正应用到公众的生活中，仍需要一定时间。目前，实验室专利已经转移到公司，有望解决量产问题，从而加速落地。

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透明木材的应用研究

现有研究多集中在电子设备、光学器件、住宅节能建筑及功能性装饰材料等领域的应用。

2017年，科学家将CsxWO3纳米粒子分散在预聚合的甲基丙烯酸甲酯中，并将上述聚合物填充于脱木质素木模板的纳米孔隙中。透光率达到86%，雾度达90%的透明木材替代玻璃用作隔热窗的材料既可以提供全天照明，又可以保护隐私，对近红外的屏蔽性有利于降低住宅建筑对空调等能源的损耗，节能减排。

2019年，透明木材制备逐渐由薄木向厚木发展。科学家提出采用2-5cm厚的半透明木质材料作为房屋模型的墙体材料，期间为了有效收集阳光，实现室内照明的一致性和均匀性，采用水蒸气脱木质素和环氧树脂浸渍法制备符合材料。

透明木材也是一种有益的功能性装饰材料。

吴燕等为增强研究的实用性与有效扩展家居装饰材料种类，研究采用多种密度不同但较为常见的树种，通过用折射率匹配的预聚合甲基丙烯酸甲酯直接浸渍木材的细胞腔和细胞间隙来制备透明木材。在此过程中，保留了木质素，使得透明木材制备过程缩短，更为节能，并且制得的透光木材不仅透光，还保留了天然木材的色泽和纹理，具有创新性。

2019年，林诗琦等发明高区率透明木材制备技术，先将脱木质素模板浸渍于树脂中，后弯曲塑形，再固化获得一种高区率透光木材。木材的曲面稳定且具有优异的机械性能，透光率可达85%以上，该技术为透明木在功能性装饰材料方面的应用增加了塑形能力。

本篇文章部分图片素材来源自网络

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