木材是人類最古老的建筑材料之一,，也是一種綠色節(jié)能材料，我們對其外觀的認(rèn)知可謂根深蒂固,。如今,，隨著透明木材的問世，這一觀感將被顛覆,。

日前,，馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)與工程教授胡良兵團(tuán)隊，在《自然》子刊《自然·通訊》Nature Communications 上,，發(fā)表論文《用于節(jié)能建筑可擴(kuò)展的美學(xué)透明木材》（Scalable aesthetic transparent wood for energy efficient buildings）,。

圖 | 胡良兵（來源：受訪者）

論文展示了一種美學(xué)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(tuán)隊通過去除木材中的吸光成分，并使用復(fù)合材料加工工藝,，不僅讓木頭變得透明,，還大大提升了力學(xué)性能。

DeepTech 聯(lián)系到胡良兵,，并就美觀木材的研發(fā),，進(jìn)行了深入交流。

圖 | 美感木材的制作,、微觀結(jié)構(gòu)和外觀（來源：受訪者）

據(jù)他介紹,，為減輕能源消耗和環(huán)境污染,，開發(fā)綠色節(jié)能材料迫在眉睫。鑒于木材產(chǎn)量豐富,、可再生,、成本低等優(yōu)勢，木材及其衍生物,，一直被視為優(yōu)異的綠色節(jié)能建筑材料。

本次研發(fā)的美觀木材,，具有重量輕,、透光率高、導(dǎo)熱系數(shù)低,、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),。同時，還能有效收集陽光,，不僅節(jié)能,，還能讓室內(nèi)照明更舒適。

在過去,，制備類似材料的方法,，通常是去除木頭中的吸光物質(zhì)或色素成分，只保留約 80％ 的木質(zhì)素,。并利用化學(xué)處理,，來破壞木材的原始結(jié)構(gòu)，以確保有效的聚合物滲透,。

此前的研究,，通常集中在木材的光學(xué)性能和機(jī)械性能上，很少有人討論木材交替的結(jié)構(gòu),、木材原始的年生長模式的自然美感,，以及對木材進(jìn)行可擴(kuò)展的制造。

為改善上述現(xiàn)狀,，本次研究基于天然木材的周期性和各向異性（物質(zhì)的化學(xué),、物理等性質(zhì)，隨著方向的改變而有所變化,，并在不同方向上呈現(xiàn)出差異性）,，展示了兩種不同類型的美觀木材：（1）與木材平面垂直的微通道類型，稱之為美學(xué)木材-R）,；（2）與木材平面平行的微通道類型,，稱之為美學(xué)木材-L。

具體制備中,，通過橫截面切割方式,，從天然木材中獲得的美學(xué)木材-R,，由于早材（EW）和晚材（LW）之間存在明顯的微觀結(jié)構(gòu)差異，因此可以清晰地看見年輪,。在除去木質(zhì)素后,，早材區(qū)幾乎變成白色，而晚材區(qū)保留了部分木質(zhì)素,。

然后,，再把環(huán)氧樹脂填充到木材骨架中，美學(xué)木材就可以被制作出來,。制造出來的美學(xué)木材 R 不僅保留了木紋,，且具有很高的平均透明度。

木材如何變透明,？

本次研究主要使用冷杉樹,，木材本身是不透明的，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(guān)鍵步驟,。

胡良兵表示，他們主要采用亞氯酸鈉溶液,，在 pH4.6 條件下對原始木材進(jìn)行化學(xué)處理,。

天然木材之所以呈現(xiàn)棕褐色，是因為木材中的木質(zhì)素,，有著較強(qiáng)的光線吸收力,。

經(jīng)過化學(xué)處理，木質(zhì)素就能從細(xì)胞壁中溶出,，發(fā)色基團(tuán)也能被脫除,，這時就會暴露出更多的纖維素。與此同時,，木材的骨架結(jié)構(gòu)仍能得到保留,。

完成上述過程后，該團(tuán)隊使用纖維素折射率相匹配的聚合物,，對木材進(jìn)行浸漬,，最終得到透明木材。

該研究的設(shè)計理念,，主要基于原始木材的早材和晚材,、在微觀形貌結(jié)構(gòu)上的差異性，即細(xì)胞壁薄厚和管腔直徑的差異性,，這會導(dǎo)致早材和晚材在溶液中,，呈現(xiàn)出擴(kuò)散速率上的不同。

而這種不同，能讓研究人員在有一定空間選擇性的前提下,，脫除掉木材中的木質(zhì)素,。

以自然界中的軟木和硬木為例，不同木材種類之間的結(jié)構(gòu)差異,，會給最終制備出來的材料,，帶來的不同美學(xué)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(jié)構(gòu)上,，都具有明顯差異,。最終所得材料，也會呈現(xiàn)出明顯的生長紋理,，并表現(xiàn)出獨(dú)特的美學(xué)效果。

而對于椴木和輕木這類硬木來說,，它主要依靠大導(dǎo)管來輸送水分等,，其細(xì)胞壁厚度相對均勻，且具有雙峰狀的孔徑分布,，因此在處理過程中,，硬木的早材和晚材，會發(fā)生同步反應(yīng),，最終結(jié)果是不會保留明顯紋理,。

每一塊木材的紋理都是天然的，也是獨(dú)一無二的,，盡管依靠木材本身的特性,，就可以呈現(xiàn)出美觀度，但胡良兵團(tuán)隊還給木頭設(shè)計了格子圖案,，這樣圖案可讓木材的美感更具統(tǒng)一性,。

圖 | 格子圖案設(shè)計過程

具體設(shè)計時，該團(tuán)隊結(jié)合木頭的光學(xué)特性,，通過以不同角度堆疊兩塊美學(xué)木材的方式,，來實現(xiàn)各種格子圖案。

具體步驟是：選用兩塊同樣具有生長環(huán)的美學(xué)木材 A 和 B,，先固定 A 的紋理方向,，把 B 旋轉(zhuǎn) 180° 之后疊加在 A 上，這樣就能得到具有格子圖案的美學(xué)木材,。

可讓房間真正實現(xiàn)冬暖夏涼

通過上述方式,，該團(tuán)隊制備具有可調(diào)紫外線阻隔性能的美觀木材，據(jù)胡良兵介紹，紫外線主要由三個波段 UVA（320-400 nm）,、UVB（275-320 nm）和 UVC（200-275 nm）組成,，波長越小、則能量越強(qiáng),。

盡管肉眼無法看見紫外線,，但它會危害和損壞包括家具和室內(nèi)顯示器在內(nèi)的許多材料。特別是在夏季,，雖然 UVC 被臭氧層過濾,，但仍有 3.5％ 的 UVB 和 96.5％ 的 UVA 到達(dá)地球表面。

在本次研究中,，該團(tuán)隊經(jīng)過 2 小時處理時間后,，成功制備出在 200-400nm 范圍內(nèi)具有優(yōu)良紫外線阻隔性能的美學(xué)木材，其可以屏蔽幾乎 100％ 的 UVC 和 UVB 光譜,，以及大部分 UVA 光譜,。

與此同時，這種美學(xué)木材還能實現(xiàn)比玻璃更堅硬,、更隔熱的功能,。