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透明木頭效果圖來源：Zhu Mingwei，SongJianwei，LiTian，GongAmy，WangYanbin，DaiJiaqi，YaoYonggang，LuoWei，HendersonDoug，HuLiangbing. Highly Anisotropic，H i g[J]. Advanced materials （Deerfield Beach，F(xiàn)la.），2016，28（35）.

讓木頭變透明的“魔法”

科學(xué)家的研究思路是這樣的：要讓木頭透過光，必須先去掉木頭的顏色。由于木材細(xì)胞的內(nèi)部填充物（如木質(zhì)素）對(duì)光的吸收與散射，透明木材在可見光譜范圍內(nèi)不是透明的。為了得到能透過光的木頭，必須去掉木質(zhì)素等物質(zhì)，這步過程也被稱為去木質(zhì)素，此部分的機(jī)理與木材造紙工藝中去木質(zhì)素相似。

首先，我們需要把木頭置于化學(xué)試劑中在25℃～ 100℃下反應(yīng)1～10小時(shí)，所采用的化學(xué)試劑可以是雙氧水、次氯酸鈉和氫氧化鈉的混合溶液。但是，在這之后問題出現(xiàn)了：木質(zhì)素具有使細(xì)胞相連，保持木頭結(jié)構(gòu)的作用，去木質(zhì)素后木頭的結(jié)構(gòu)被破壞，失去強(qiáng)度，無法進(jìn)行下一步的加工。

聰明的科學(xué)家總能為自己的奇思妙想找到解決的思路。美國馬里蘭大學(xué)的華人科學(xué)家胡良兵教授領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、研究，終于有了新的發(fā)現(xiàn)。將去木質(zhì)素后的木頭再浸入環(huán)氧樹脂溶液中，環(huán)氧樹脂就會(huì)填充此前處理過的木頭的空隙。由于環(huán)氧樹脂的可見光折射率更接近木質(zhì)素纖維素纖維，環(huán)氧樹脂填充后的復(fù)合材料的可見光透過率高達(dá)90%。

大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這樣得到的透明木頭即使去掉了木質(zhì)素但仍能保持結(jié)構(gòu)，且表現(xiàn)出更優(yōu)秀的力學(xué)性能。許多樹種由于纖維堆積密度和纖維細(xì)胞壁厚度在四季會(huì)有所不同，從而有疏密不均的年輪增長。木材年輪的層次性導(dǎo)致木材的各向異性，在力學(xué)性能方面表現(xiàn)為在平行于纖維方向的抗拉強(qiáng)度是垂直于纖維方向的抗拉強(qiáng)度的十幾倍甚至更高。而經(jīng)過工藝處理后的透明木頭不僅強(qiáng)度都提高了好幾倍，并且各向異性有非常明顯的減弱。

為啥要讓木頭變透明

其實(shí)，最早研究透明木頭并非為了應(yīng)用需要，而旨在促進(jìn)木材本身結(jié)構(gòu)的研究。希望通過將木頭變透明，使木材結(jié)構(gòu)變得可見，并可以對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D 建模。而科學(xué)家們并沒有因?yàn)楂@得了階段性勝利而沾沾自喜，止步不前，而是進(jìn)一步探索透明木頭的可能。

由于該材料少有地同時(shí)具有良好的機(jī)械性能和光學(xué)性能，是一種不錯(cuò)的建筑材料。如左圖所示，采用透明木頭制成的屋頂，由于透明木頭高霧度②的性能，可用于改善室內(nèi)的照明，使其更均勻，更舒適。在模擬真實(shí)環(huán)境實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)我們把尺寸相同的透明木材和玻璃制成樣品房進(jìn)行模擬，在模擬同等強(qiáng)烈的太陽照射一定的時(shí)間后，玻璃樣品內(nèi)的溫度上升了近20℃，而透明木頭樣品室溫上升了11.8℃。而如若在透明木材中加入CsxWO3納米粒子①，該材料制成的樣品房在實(shí)驗(yàn)中有更加優(yōu)秀的表現(xiàn)，該樣品房室溫僅上升了5.2℃。

玻璃作為一種目前廣泛應(yīng)用于建筑的透明材料，雖然能解決光照問題，但同時(shí)也存在許多不足，如易碎等。而透明木頭不僅能解決易碎的問題，且相較于玻璃而言環(huán)保性更佳。此外，由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，目前也有研究關(guān)于透明木頭能否代替鋼鐵材料應(yīng)用于建筑。鋼鐵制造業(yè)作為我國目前高能耗、高污染的行業(yè)，其生產(chǎn)會(huì)排放大量的廢固廢液廢氣，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。如果能采用透明木材替代鋼鐵，能夠進(jìn)一步推進(jìn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

▲透明木頭使用效果

透明木頭還可以做得更多

透明木材的另一個(gè)方向是應(yīng)用于光伏設(shè)備，或者應(yīng)用于太陽能電池等能源設(shè)備中，以提高能源的利用效率。

目前市場(chǎng)上主流的太陽能板是晶體硅太陽能電池板和薄膜太陽能電池板。一般來說，晶體硅太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率較高，單晶體硅太陽能電池板最高可達(dá)24%，而薄膜太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率為12% 左右。因?yàn)槟壳疤柲馨宓男瘦^低，且不夠穩(wěn)定。因此，開發(fā)綠色環(huán)保、光電轉(zhuǎn)換效率高且節(jié)能的太陽能板是目前的一大熱點(diǎn)問題。由于透明木頭的高霧度特性，可以將其設(shè)計(jì)為光擴(kuò)散層。高霧度意味著較大的散射角，從而增加了太陽能電池內(nèi)部光路的長度，以此增加光電轉(zhuǎn)換率。

同時(shí)，填充材料的不同可以為透明木頭帶來功能性的改變，不同顏色的顏料填充可以獲得各種顏色的透明木頭，拓展了透明木頭做成裝飾性家具以及工藝品的可能。不同顏色的透明木頭為裝飾制造業(yè)注入了新鮮的血液，書架、燈具、桌椅、墻板等等在生活中隨處可見的物品都是透明木頭可能應(yīng)用的方向。相信這種新型材料的應(yīng)用會(huì)為家具提供更為廣泛的材料選擇空間。

結(jié)語

透明木頭成功的重要意義在于：經(jīng)過一系列處理的透明木頭比一些常用透明材料（如玻璃）有更好的機(jī)械性能和熱學(xué)性能，且相對(duì)玻璃、塑料更容易降解。制備過程中使用的試劑和儀器不是特別昂貴，所以透明木頭的成本并不高。不過，透明木頭目前在大尺寸的生產(chǎn)上還有技術(shù)難關(guān)仍未突破，且透明木頭的透光率會(huì)隨木材的厚度增加而下降，解決這些問題還需要許多人的努力。它可以作為環(huán)保材料替換一些透明材料，前景值得期待。