透明玻璃？不，是木头！

劳洲界

透明木头效果图来源：Zhu Mingwei，SongJianwei，LiTian，GongAmy，WangYanbin，DaiJiaqi，YaoYonggang，LuoWei，HendersonDoug，HuLiangbing. Highly Anisotropic，H i g[J]. Advanced materials （Deerfield Beach，Fla.），2016，28（35）.

让木头变透明的“魔法”

科学家的研究思路是这样的：要让木头透过光，必须先去掉木头的颜色。由于木材细胞的内部填充物（如木质素）对光的吸收与散射，透明木材在可见光谱范围内不是透明的。为了得到能透过光的木头，必须去掉木质素等物质，这步过程也被称为去木质素，此部分的机理与木材造纸工艺中去木质素相似。

首先，我们需要把木头置于化学试剂中在25℃～ 100℃下反应1～10小时，所采用的化学试剂可以是双氧水、次氯酸钠和氢氧化钠的混合溶液。但是，在这之后问题出现了：木质素具有使细胞相连，保持木头结构的作用，去木质素后木头的结构被破坏，失去强度，无法进行下一步的加工。

聪明的科学家总能为自己的奇思妙想找到解决的思路。美国马里兰大学的华人科学家胡良兵教授领导团队不断地进行实验、研究，终于有了新的发现。将去木质素后的木头再浸入环氧树脂溶液中，环氧树脂就会填充此前处理过的木头的空隙。由于环氧树脂的可见光折射率更接近木质素纤维素纤维，环氧树脂填充后的复合材料的可见光透过率高达90%。

大量的实验数据表明，这样得到的透明木頭即使去掉了木质素但仍能保持结构，且表现出更优秀的力学性能。许多树种由于纤维堆积密度和纤维细胞壁厚度在四季会有所不同，从而有疏密不均的年轮增长。木材年轮的层次性导致木材的各向异性，在力学性能方面表现为在平行于纤维方向的抗拉强度是垂直于纤维方向的抗拉强度的十几倍甚至更高。而经过工艺处理后的透明木头不仅强度都提高了好几倍，并且各向异性有非常明显的减弱。

为啥要让木头变透明

其实，最早研究透明木头并非为了应用需要，而旨在促进木材本身结构的研究。希望通过将木头变透明，使木材结构变得可见，并可以对该结构进行3D 建模。而科学家们并没有因为获得了阶段性胜利而沾沾自喜，止步不前，而是进一步探索透明木头的可能。

由于该材料少有地同时具有良好的机械性能和光学性能，是一种不错的建筑材料。如左图所示，采用透明木头制成的屋顶，由于透明木头高雾度②的性能，可用于改善室内的照明，使其更均匀，更舒适。在模拟真实环境实验中，当我们把尺寸相同的透明木材和玻璃制成样品房进行模拟，在模拟同等强烈的太阳照射一定的时间后，玻璃样品内的温度上升了近20℃，而透明木头样品室温上升了11.8℃。而如若在透明木材中加入CsxWO3纳米粒子①，该材料制成的样品房在实验中有更加优秀的表现，该样品房室温仅上升了5.2℃。

玻璃作为一种目前广泛应用于建筑的透明材料，虽然能解决光照问题，但同时也存在许多不足，如易碎等。而透明木头不仅能解决易碎的问题，且相较于玻璃而言环保性更佳。此外，由于其优异的力学性能，目前也有研究关于透明木头能否代替钢铁材料应用于建筑。钢铁制造业作为我国目前高能耗、高污染的行业，其生产会排放大量的废固废液废气，会对环境造成污染。如果能采用透明木材替代钢铁，能够进一步推进人类社会可持续发展。

▲透明木头使用效果

透明木头还可以做得更多

透明木材的另一个方向是应用于光伏设备，或者应用于太阳能电池等能源设备中，以提高能源的利用效率。

目前市场上主流的太阳能板是晶体硅太阳能电池板和薄膜太阳能电池板。一般来说，晶体硅太阳能电池板的转换效率较高，单晶体硅太阳能电池板最高可达24%，而薄膜太阳能电池板的光电转换效率为12% 左右。因为目前太阳能板的效率较低，且不够稳定。因此，开发绿色环保、光电转换效率高且节能的太阳能板是目前的一大热点问题。由于透明木头的高雾度特性，可以将其设计为光扩散层。高雾度意味着较大的散射角，从而增加了太阳能电池内部光路的长度，以此增加光电转换率。

同时，填充材料的不同可以为透明木头带来功能性的改变，不同颜色的颜料填充可以获得各种颜色的透明木头，拓展了透明木头做成装饰性家具以及工艺品的可能。不同颜色的透明木头为装饰制造业注入了新鲜的血液，书架、灯具、桌椅、墙板等等在生活中随处可见的物品都是透明木头可能应用的方向。相信这种新型材料的应用会为家具提供更为广泛的材料选择空间。

结语

透明木头成功的重要意义在于：经过一系列处理的透明木头比一些常用透明材料（如玻璃）有更好的机械性能和热学性能，且相对玻璃、塑料更容易降解。制备过程中使用的试剂和仪器不是特别昂贵，所以透明木头的成本并不高。不过，透明木头目前在大尺寸的生产上还有技术难关仍未突破，且透明木头的透光率会随木材的厚度增加而下降，解决这些问题还需要许多人的努力。它可以作为环保材料替换一些透明材料，前景值得期待。