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一小时木板变“玻璃”,“木头大王”胡良兵团队研制可图案化透明木材
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这是一块木板的“嬗变”,什么“魔法”可让它从棕色变为透明?

图 | 木板从棕色变为白色(来源:Science Advances

隔着这块板来看下面的花朵,透光度好得让人以为它是玻璃板,但其实是 100% 的木板-树脂复合物。

图 | 隔着透明木板依然能看见木板下的植物(来源:Science Advances

经木质素改性处理、以及树脂填充后,木板可拥有类似玻璃的透明度,它能穿透自然界中 90%以上的光线,并且具有优于玻璃的机械性能和隔热性能,强度跟其他透明木头类似。

假如房间的墙用这种木板,隔着墙也能看到蓝色天空,这样就能实现不用开窗就能看天气。

图 | 隔着透明木板可以看到蓝天(来源:Science Advances

这是 “木头大王”—— 马里兰大学材料科学与工程学院胡良兵教授团队继上次开发出具有美学图案的新型透明木头之后,再次推出的新一代的太阳能辅助合成的可图案化透明木板。

1 月 27 日,相关论文以《太阳能辅助制造的大型可图案化透明木材》(Solar-assisted fabrication of large-scale, patternable transparent wood)为题发表在 Science Advances 上,论文通讯作者是胡良兵,一作是一位 90 后中国姑娘夏芹芹、以及胡良兵课题组博士后陈朝吉博士。

制备:木板何以变透明?

在具体操作中,以把一块 1m 长、1mm 厚的巴沙木板做成透明木板为例,处理时先在木板表面用双氧水刷一遍。

图 | 涂抹双氧水(来源:胡良兵)

然后暴露于紫外线灯光或阳光下一小时,这时双氧水会漂白掉木质素的发色基团,并让木质素大部分保持。

图 | 晾晒(来源:胡良兵)

接着把将木材浸入乙醇中,以除净木质素等残留物。最后在木材孔隙中填充一种透明环氧树脂,这种环氧树脂专为航海使用、并且和木材细胞壁的折射率相匹配,木板被填充并硬化后,一块拥有 90% 透明度的木板就诞生了,这远高出天然木材 6%~36% 的透明度。由于使用到刷子和化学溶液,因此该方法可理解为 “化学刷” 法。

图 | 脱色木板诞生(来源:胡良兵)

木材本身并不透明,这和它的两种基本组成成分有关:纤维素和木质素。纤维素,其实距离我们并不遥远。当你把纸巾撕成两半,沿撕开的边缘就能看到少量纤维素纤维。而木质素则包含发色基团分子,这种分子使木材呈棕色并能阻止光通过。而纤维素纤维是空心管状结构,空心管中的空气会散射光,这进一步降低了木材透明度。

早期制造透明木材时,人们主要使用 “氯化钠溶液脱木素” 法,这涉及到用危险化学品去除木质素,不仅需要高温条件,还会耗费大量时间,成本昂贵且制备出来的木材比较脆。为避免上述情况,胡良兵团队选择改性木质素而不是去除木质素,并且本次使用的新技术,既便宜又容易,简单到在自家院子就能完成。


图 | 透明木材的制备步骤(来源:Science Advances

而本次技术的原理在于,木头发色基团主要由木质素产生、并能吸收紫外线,紫外线的激发还可让木质素形成自由基。受益于木质素特性的启发,该团队使用紫外光激发、并使用双氧水的氧化作用除掉木质素中的发色基团。

木材具有三维相互连接的多孔结构,且拥有直径在 15-300μm 之间的微通道,这种独特的多孔结构可促进双氧水的快速渗透、以及对紫外光的捕获,最终有效去除光吸收发色基团。

而且,太阳能是地球上最丰富的能源,部分太阳能由紫外线(UV)辐射组成,因此太阳光可在短时间内使木材脱色并获得透明木材。

图 | 透明木材的结构(来源:Science Advances

这一过程并不难理解,把一张纸巾浸水后,纸巾透明度也会增加,这是因为填充满纸张孔的水具有比原先填充的空气更接近纤维素的折射率,从而降低入射光的散射,使纸巾变成半透明。

谈及该技术的先进性,胡良兵教授说,这种借助阳光和化学刷洗的方法,能选择性地处理木材样品的指定区域,从而制备出不同图案的透明木板。

如下图,该团队做出多种具有不同图案的透明木板,由于团队成员多是华人,他们专门做出一张太极八卦图案的木板。

图 | “太极八卦”透明木板(来源:胡良兵)


如下图,用刷子蘸取双氧水,在木板上刷出“A”字型,放置在紫外光线下照射一小时,并进一步填充环氧树脂,就可得到镂空“A”字型木板。

图 | 镂空“A”字型木板(来源:胡良兵)

他们还展示了具有更复杂几何形状的透明木材样品,如两个透明圆减去一个不透明的菱形,这表明使用该方法可实现具有任意图案的透明木材。

图 | 具有不同图案的透明木板(来源:Science Advances

这种制备方法不会完全破坏木质素的芳香结构,得到的透明木板具有 31.4-46.2MPa 的高拉伸强度,这比天然木材的拉伸强度高出 1.8-44.8 倍,且具有不到 4%的低光学吸收率、和 60%-80%的高光学浊度。

与此同时,改性后的木质素可被保留下来,据测试透明木板的木质素含量为 19.9%,仅比天然木材 23.5% 的木质素含量低出几个百分点,这样木质素就仍可有效结合和包裹纤维素纤维,从而保持木板的力学性能。透明木板的内部微通道直径在 10-270μm 之间,这意味着经处理后,其依然具备天然木材内部的多孔结构。

另据红外光谱显示,“化学刷” 法不仅能降解木质素发色基团,还能保留木质素的芳香族骨架,这种骨架可为聚合物渗透提供强大支撑,并让透明木板更具韧性。透明木板的电子显微镜图像显示,由于注入了透明环氧树脂,透明木板可形成致密的结构,这可提高透光率、并抑制光散射。

在测量了天然木材和透明木材在 200 到 2000 纳米之间的光学透射率之后发现,与天然木材的透射率(L<6%,T<36%)相比,沿 L 和 T 方向的透明木材在可见光波长范围(400~800nm)上具有约 90% 的高透。透明木材接近 0% 的吸收率,在可见光波长上也远低于天然木材,这是由于去除了木质素的光吸收发色基团,使得几乎所有可见光都能通过透明木材。

图 | 透明木板的光学性能和机械性能(来源:Science Advances

具备大规模制备能力:可制作透明墙体、或作为保护性覆盖物

据该团队介绍,透明木板已经可实现大规模快速制造。如下图,在 1 小时太阳光照射下,就可产出三片长为 1m 的木质素改性木板,在被环氧树脂渗透之后,最终可到的 400 mm×110 mm×1 mm 的透明木板。

图 | 透明木板具备大规模制备能力(来源:Science Advances

本次制备方法产出的废液为 30 毫升,且不会产生有毒气体,而 “氯化钠溶液脱木素” 法要产生 960 毫升废液。因此,“化学刷” 法的环保优势更大。

胡良兵说:“这种透明木材不仅比玻璃轻,还比玻璃坚固,并且更加隔热,可作为承重的窗户和屋顶,也可用来建造透明房子。” 比如,可作为机场、博物馆等公共场合的墙体材料,相比玻璃的易脆性,往透明木头墙体上扔石头,也不会造成损害。当然,不是所有人都愿意住透明房子。

冬天时,玻璃窗户是室内热损失的主要来源,而透明木材隔热性能更佳,而且制备过程中无需高温,比起玻璃制备也更环保。

木材也是可再生能源,木材生长过程中,树木通过呼吸二氧化碳释放出氧气,这对人类非常有益。在沙尘恶劣环境下,还可作为太阳能电池板的覆盖物,让其在有阳光的坏天气下也能继续发电。并且,木材的主要成分纤维素每年的产量是钢的 20 倍。而透明木板的木材选择范围,也比较广泛,橡树、杉树等都可以。

在成本上,与 “溶液脱木素” 法相比,化学刷具有更高的生产效率,更低的成本,并且更具可持续性和可控性。这是一种经济高效的制造工艺,其中还可以使用天然太阳能。

谈及该材料的未来应用,胡良兵表示,由于其独特的层次结构、高电阻率和良好的光管理特性,透明木材也将成为一种新兴材料。因此,它有可能被广泛应用于光电器件、节能建筑以及太阳能电池和触摸面板等。

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