木頭透明，怎么把木頭變成透明
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這就是木材的“轉(zhuǎn)變”，但它從棕色變成透明的“魔力”是什么？
圖| 一塊木板從棕色變成白色（來源：Science Advances）
當(dāng)你透過這塊板看下面的花朵時(shí)，透光性非常好，你可能會(huì)認(rèn)為這是一塊玻璃板，但它實(shí)際上是100% 木樹脂復(fù)合材料。
圖片| 透過透明木板還可以看到木板下面的植物（來源：Science Advances）
用木質(zhì)素改性并填充樹脂的木板具有與玻璃相同的透明度，可透射90%以上的自然光，具有比玻璃更好的機(jī)械性能和熱性能，并且強(qiáng)度可比。與其他透明木材類似。
如果你房間的墻壁是用這樣的板材制成的，你不用打開窗戶就可以透過墻壁看到藍(lán)天并查看天氣。
照片| 透過透明木板可見藍(lán)天（來源：Science Advances）
這是“木王”——，馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)與工程系胡良兵教授團(tuán)隊(duì)繼此前開發(fā)出具有美觀圖案的新型透明木材后，再次推出新一代木材。太陽能輔助合成可圖案透明木板。
1月27日，相關(guān)論文發(fā)表在《Science Advances》上，標(biāo)題為《太陽能輔助制造的大型可圖案化透明木材》（大規(guī)模、可圖案透明木材的太陽能生產(chǎn)）。論文通訊作者為胡良兵。第一作者為夏沁沁。胡良兵課題組博士后陳朝智博士是一位90后中國女孩。
準(zhǔn)備工作：為什么木材會(huì)變得透明？例如，我們將使用長1m、厚1mm的輕木板制成透明板。首先，我們將雙氧水刷在板的表面。
照片| 涂抹雙氧水（來源：胡良兵）
然后將其暴露在紫外線或陽光下一個(gè)小時(shí)。此時(shí)，過氧化氫漂白木質(zhì)素中的發(fā)色團(tuán)，使大部分木質(zhì)素保持完整。
圖片| 干燥（來源：胡良兵）
然后將木材浸泡在乙醇中以去除木質(zhì)素和其他殘留物。最后，木材的孔隙中填充了專為海洋用途設(shè)計(jì)的透明環(huán)氧樹脂，該樹脂與木材細(xì)胞壁的折射率相匹配，然后填充并固化以形成90% 透明的板材。遠(yuǎn)高于天然木材6%至36%的透明度。這種方法也可以稱為“化學(xué)刷洗”，因?yàn)樗褂盟⒆雍突瘜W(xué)溶液。
圖片| 漂白木板的誕生（來源：胡良兵）
木材本身并不透明，但這與木材的兩種基本成分有關(guān)：纖維素和木質(zhì)素。纖維素其實(shí)離我們并不遙遠(yuǎn)。如果將紙巾撕成兩半，您會(huì)在撕開的邊緣看到少量纖維素纖維。另一方面，木質(zhì)素含有發(fā)色團(tuán)分子，使木材呈現(xiàn)棕色并阻止光線穿過。纖維素纖維是中空的管狀結(jié)構(gòu)，中空管內(nèi)的空氣會(huì)散射光線，進(jìn)一步降低了木材的透明度。
早期制作透明木材時(shí)，主要采用一種叫做“氯化鈉溶液脫木質(zhì)素”的方法，利用危險(xiǎn)化學(xué)品去除木質(zhì)素，但這種方法不僅需要高溫條件，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本高。準(zhǔn)備好的木材比較脆。為了避免上述情況，胡良兵團(tuán)隊(duì)選擇對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行改性而不是去除，但他們使用的新技術(shù)便宜、簡單，而且可以在自己的花園里完成，我也能做到。
圖| 透明木材制備步驟（來源：Science Advances）
該技術(shù)的原理是木材中的發(fā)色團(tuán)主要由木質(zhì)素產(chǎn)生，木質(zhì)素可以吸收紫外線，而紫外線的激發(fā)也可以使木質(zhì)素產(chǎn)生自由基。受木質(zhì)素特性的啟發(fā)，研究小組利用紫外線激發(fā)和過氧化氫氧化去除木質(zhì)素的發(fā)色團(tuán)。
木材具有三維互連的多孔結(jié)構(gòu)，微通道直徑范圍為15至300微米，這種獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)有利于過氧化氫的快速滲透和紫外線的捕獲，最終有效去除吸光發(fā)色團(tuán)。
而且，太陽能是地球上最豐富的能源，而太陽能的一部分是由紫外線（UV）輻射組成的，因此陽光在短時(shí)間內(nèi)漂白木材并獲得透明的木材是可以做到的。
圖| 透明木材的結(jié)構(gòu)（來源：Science Advances）
這個(gè)過程并不難理解，但將紙巾浸泡在水中也會(huì)增加其透明度，因?yàn)樘畛浼埥砜字械乃恼凵渎时仍伎諝飧咏w維素的折射率。這減少了入射光的散射并使紙巾變得半透明。
談到這項(xiàng)技術(shù)的先進(jìn)性，胡良兵教授表示，這種利用陽光和化學(xué)刷涂的方法，可以選擇性地處理木材樣品的指定區(qū)域，從而制造出具有不同圖案的透明木板。
如下圖所示，團(tuán)隊(duì)制作了帶有各種圖案的透明木板，但由于大部分團(tuán)隊(duì)成員都是中國人，所以他們制作了帶有太極和八卦圖案的木板，這是我特意制作的。
圖片| “太極八卦”透明木板（來源：胡良兵）
如下圖所示，用刷子蘸雙氧水在木板上畫一個(gè)“A”形，放在紫外線下照射一個(gè)小時(shí)，然后填充環(huán)氧樹脂，形成一個(gè)空心的“A”形.馬蘇。木板。
圖片| 空心“A”形木板（來源：胡良兵）
他們還演示了形狀更復(fù)雜的透明木材樣品，比如兩個(gè)透明的圓形減去一個(gè)不透明的菱形，并用這種方法實(shí)現(xiàn)了具有任意圖案的透明木材，我們已經(jīng)證明我們可以做到。
插畫| 不同圖案的透明木板（來源：Science Advances）
這種制造方法沒有完全破壞木質(zhì)素的芳香結(jié)構(gòu)，所得的透明木板具有31.4至46.2兆帕的高拉伸強(qiáng)度，是天然木材拉伸強(qiáng)度的1.8至44.8倍，小于4。 % 光吸收率低，光學(xué)濁度高，為60% 至80%。
測試表明，透明木板的木質(zhì)素含量為19.9%，僅比天然木材23.5%的木質(zhì)素含量低幾個(gè)百分點(diǎn)。它粘合并封裝纖維素纖維以保持板材的機(jī)械性能。透明木板的內(nèi)部微通道直徑為10-270m，這意味著即使經(jīng)過處理，多孔結(jié)構(gòu)仍保留在天然木材內(nèi)部。
根據(jù)紅外光譜分析，“化學(xué)刷”方法不僅可以分解木質(zhì)素發(fā)色團(tuán)，還可以保留木質(zhì)素的芳香骨架，有力地支持聚合物的滲透，使得透明木板的清潔能力可以變得更強(qiáng)。透明木板的電子顯微鏡圖像顯示，透明環(huán)氧樹脂的注入形成了致密結(jié)構(gòu)，增加了光透射并抑制了光散射。
當(dāng)我們?cè)?00~2000納米范圍內(nèi)測量天然木材和透明木材的透光率時(shí)，發(fā)現(xiàn)透明木材在L方向和T方向的性能優(yōu)于天然木材（L6%、T36%） 。 我明白。在可見光波長范圍（400-800nm）內(nèi)具有約90%的高透明度。透明木材的吸收率接近0%，在可見波長下遠(yuǎn)低于天然木材。這是因?yàn)槟举|(zhì)素中的吸光發(fā)色團(tuán)已被去除，使得幾乎所有可見光都能穿過透明木材。
圖| 透明木板的光學(xué)和機(jī)械性能（來源：Science Advances）
它具有大規(guī)模制造能力，可以制造透明墻壁或用作防護(hù)罩，研究團(tuán)隊(duì)表示，透明木板已經(jīng)可以大規(guī)模、快速制造，就是這個(gè)意思。如下圖所示，通過陽光照射1小時(shí)，可生產(chǎn)出三塊長度為1m的木質(zhì)素改性木板，并用環(huán)氧樹脂浸潤后，得到尺寸為400mm110mm的透明木板最終得到x 1 mm，可以.
圖| 透明木板具有廣泛的制備功能（來源：Science Advances）
“氯化鈉水脫木質(zhì)素”法產(chǎn)生960毫升廢液，而該制備方法僅產(chǎn)生30毫升廢液，并且不產(chǎn)生任何有毒氣體。因此，“化學(xué)刷涂”方法具有更大的環(huán)保效益。
胡良兵說：“這種透明木材不僅比玻璃更輕，而且更堅(jiān)固，隔熱性能更好，可以用作承重窗和屋頂，也可以用于建造透明房屋。 “ 他說。例如，它可以用作機(jī)場、博物館等公共場所的幕墻，而墻體材料比玻璃更脆，因此向透明木墻扔石頭不會(huì)造成損壞。當(dāng)然，并不是每個(gè)人都想住在透明的房子里。
玻璃窗是冬季室內(nèi)熱量散失的主要來源，但透明木材具有良好的隔熱性能，在制造過程中不需要高溫，比玻璃制造更環(huán)保。
木材也是一種可再生能源，樹木在生長過程中通過呼吸二氧化碳，釋放出氧氣，這對(duì)人類非常有益。在沙塵多的惡劣環(huán)境下，它還可以用作太陽能電池板的覆蓋物，讓您即使在惡劣天氣下，只要有陽光，也能繼續(xù)發(fā)電。纖維素是木材的主要成分，每年的產(chǎn)量是鋼材的20 倍。透明板的木材選擇也比較廣泛，有橡木、杉木等。
在成本方面，相比“溶液脫木素”法，化學(xué)刷洗生產(chǎn)效率更高、成本更低、可持續(xù)可控。這是一種經(jīng)濟(jì)高效的制造工藝，也利用了天然太陽能。
對(duì)于該材料的未來應(yīng)用，胡良兵表示，透明木材因其獨(dú)特的分層結(jié)構(gòu)、高電阻率以及優(yōu)異的光管理性能，也將成為一種新材料。因此，可廣泛應(yīng)用于光電器件、節(jié)能建筑、太陽能電池、觸摸屏等領(lǐng)域。