可替代玻璃的透明木材、強度超過鋼的竹材料，你見過嗎？
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木材是人類最古老的建築材料之一
也是一種綠色節能材料
我們對其外觀的認知可謂根深蒂固
如今，隨着透明木材的問世
這一觀感將被顛覆
01.
透明木材性能優於玻璃
可讓房間真正實現冬暖夏涼
木材和玻璃是我們日常生活中應用最多的兩種材料，木材常用於製作傢俱和廚房用具，玻璃則可以用於製作器皿和屏障。
兩者都有自己的優勢和劣勢，木材的優勢在於重量輕、便於分割和雕刻，玻璃的優勢在於密封性好、擁有透明和隔音等功能。
而木材的劣勢在於壽命較短，不透明，玻璃的劣勢在於比較脆弱，容易被擊碎。
那麼能否研發出綜合玻璃和木材兩者優點的材料嗎？根據外媒報道，近期國外一支研發團隊對外宣稱已經研發出了一種透明木材，並認為它在不久的未來可能可以取代普通玻璃。
透明木材能實現比玻璃更堅硬、更隔熱的功能。其中的木材基體、和所浸漬的聚合物之間存在強有力的鍵合，通過兩者之間的協同作用，材料的力學性能可以大大提升，韌性高達 2.73 MJ m-3，遠超於玻璃的韌性。
關於可隔熱的功能，由於木材基體和聚合物的熱導值，均比玻璃的熱導值低，並且木材具有各向異性的骨架結構，這可以讓美觀木材實現各向異性的熱管理性能。
由於透明木材並非完全透明，本身也具備高霧度的光學特性，所以能很好地保護用户在室內的隱私。
此外，這種木材也比較環保，玻璃製品需要經過高温，耗能比較大。而這種木材主要使用水漂洗，無需經過高温，因此比較節能。未來，該實驗室還將研究具有防噪性能的美觀木材。
02.
神奇變身
木材是怎樣變透明的？
透明木材外形看起來像玻璃，但它的實質是木材和其他化合物。那麼透明木材是如何製成的？
透明木材使用的冷杉樹本身是不透明的，因此去除木材的吸光成分，讓木頭變得透明是本次研究的關鍵步驟。簡言之，就是將顯色的木質素進行脱離去除。
研究團隊主要採用亞氯酸鈉溶液，在 pH4.6 條件下對原始木材進行化學處理。天然木材之所以呈現棕褐色，是因為木材中的木質素，有着較強的光線吸收力。
經過化學處理，木質素就能從細胞壁中溶出，髮色基團也能被脱除，這時就會暴露出更多的纖維素。與此同時，木材的骨架結構仍能得到保留。
完成上述過程後，該團隊使用纖維素折射率相匹配的聚合物，對木材進行浸漬，最終得到透明木材。
以自然界中的軟木和硬木為例，不同木材種類之間的結構差異，會給最終制備出來的材料，帶來的不同美學效果。
如花旗松和松木這樣的軟木，這類木頭的早材和晚材，在形貌、密度和微觀結構上，都具有明顯差異。最終所得材料，也會呈現出明顯的生長紋理，並表現出獨特的美學效果。
而對於椴木和輕木這類硬木來説，它主要依靠大導管來輸送水分等，其細胞壁厚度相對均勻，且具有雙峯狀的孔徑分佈，因此在處理過程中，硬木的早材和晚材，會發生同步反應，最終結果是不會保留明顯紋理。
03.
將木材玩出花樣
透明木材的迭代創新
談到透明木材，就不能不提到一個人：畢業於中國科學技術大學、馬里蘭大學材料科學與工程學院副教授胡良兵。
2013 年將木頭用於鈉電池；2016 年成功做出透明的木頭玻璃窗。後來，木頭在胡良兵的手上被玩出了花樣。
經他手的木頭會變成電解質、水凝膠、海綿、衣服，也會變成 Li-CO2 電池、鋰氧電池、太陽能、超級電容器、電催化的重要部件，創新性與實用性兼具，是名副其實的"木頭大王"。
胡良兵團隊在《自然》子刊《自然 · 通訊》Nature Communications 上，發表論文《用於節能建築可擴展的美學透明木材》（Scalable aesthetic transparent wood for energy efficient buildings）。
論文展示了一種美學透明木材（下稱"美觀木材"），研究中所用的原始木材，是非透明的。研究團隊通過去除木材中的吸光成分，並使用複合材料加工工藝，不僅讓木頭變得透明，還大大提升了力學性能。
04.
住宅建築和功能性裝飾材料
透明木材大有用武之地
透明木材的研究不僅侷限於化學成分的調整，製備工藝也在不斷優化，其厚度、曲率、樹種方面也有了廣泛選擇，應用領域被不斷拓寬。
現有研究多集中在電子設備、光學器件、住宅節能建築及功能性裝飾材料等領域的應用。
隨着經濟與科技的高速發展，人們開始重視可持續設計在居住環境與住宅建築的應用，講究綠色建築、節能住宅。
2017 年，科學家將 CsxWO3 納米粒子分散在預聚合的甲基丙烯酸甲酯中，並將上述聚合物填充於脱木質素木模板的納米孔隙中。
該透明木材展現了優異的近紅外（波長為 780-2500nm）屏蔽功能。透光率達到 86%，霧度達 90% 的透明木材替代玻璃用作隔熱窗的材料既可以提供全天照明，又可以保護隱私，對近紅外的屏蔽性有利於降低住宅建築對空調等能源的損耗，節能減排。
透明木材製備逐漸由薄木向厚木發展。2019 年，科學家提出採用 2-5cm 厚的半透明木質材料作為房屋模型的牆體材料，期間為了有效地收集陽光，實現室內照明的一致性和均勻性，採用水蒸氣脱木質素和環氧樹脂浸漬法制備符合材料。
此外，與透明木質屋頂不同，半透明（透光率 40%）木質屋頂的房屋模型內部從屋頂到地面的光強度增強。
透明木材也是一種有益的功能性裝飾材料。吳燕等為增強研究的實用性與有效擴展家居裝飾材料種類，研究採用多種密度不同但較為常見的樹種，通過用折射率匹配的預聚合甲基丙烯酸甲酯直接浸漬木材的細胞腔和細胞間隙來製備透明木材。
在此過程中，保留了木質素，使得透明木材製備過程縮短，更為節能，並且製得的透光木材不僅透光，還保留了天然木材的色澤和紋理，具有創新性。
2019 年，林詩琦等發明高區率透明木材製備技術，先將脱木質素模板浸漬於樹脂中，後彎曲塑形，再固化獲得一種高區率透光木材。木材的曲面穩定且具有優異的機械性能，透光率可達 85% 以上，該技術為透明木在功能性裝飾材料方面的應用增加了塑形能力。
05.
透明木材落地量產將加速
目前，胡良兵擔任聯合創始人的 InventWood 公司，正在對該材料進行產業化。比較常見的應用場景，如機場牆體、博物館牆壁、玻璃屋頂、以及室內天花板，美觀木材可以很好地滿足這些場合的美觀度要求。
由於隔温性能好，以中國為例，主要適用於温度較冷的東北、或者長期較熱的部分南方地區。具體使用時，用於房間的採光面會非常好，因為它既可以當牆，又有很好的透明度，並且比玻璃的機械性能更好。
目前，已經在實驗室做出了尺寸為 320mm * 170mm * 0.6mm 的樣品。據介紹，美觀木材的實驗室製備成本很便宜，未來有望大規模製備。
據瞭解，玻璃牆面如果破裂，可能就是整面牆全部破裂。而木頭內部全部是條狀物，假如掰開木頭，它也不會突然斷掉。不過，美觀木材距離真正應用到公眾的生活中，仍需要一定時間。目前，實驗室專利已經轉移到公司，有望解決量產問題，從而加速落地。
01.
強度超過鋼，竹子可製成
堅韌和可伸縮的結構材料
除了透明木材，胡良兵教授等人還設計了一種簡單而有效的自頂向下的方法，將天然竹子加工成一種重量輕但強度高的散裝結構材料，其抗拉強度高達 1 GPa，韌性為 9.74 MJ/m 3 。
竹子的密度是由部分去除其木質素和半纖維素，其次是熱壓，長而整齊的纖維素納米纖維顯著增加了氫鍵，大大減少了竹材結構的結構缺陷，使竹材具有較高的機械拉伸強度、彎曲強度和韌性。
經過密實處理的竹子中木質纖維素的低密度導致其比強度為 777 MPa cm 3 g 1 ，顯著高於其他報道的竹子材料和大多數結構材料 ( 如天然聚合物、塑料、鋼和合金 ) 。
這項工作展示了用豐富的、快速生長的和可持續的竹子大規模生產輕質、堅固的塊狀結構材料的潛力。
參考：
透明木頭問世！"木頭大王"胡良兵再發頂刊，已成立公司加速落地，DeepTech 深科技
透明木材製備工藝及應用研究進展，周季純 吳燕，林產工業
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