透明木头:美观实用的新材料

木浆能造纸,中国古代发明的造纸术是中国对世界文明的巨大贡献,这项精巧的技艺发展到今天,甚至能让纸张薄如蝉翼。木头在生活中的用途更丰富,但你能想象有一天它甚至能取代玻璃吗?近期,美国马里兰大学的华人科学家胡良兵带领的研究团队最近研制出一种透明木头,并认为它将来能应用在家具、建筑材料等多个领域。

这项研究的重要意义在于,处理后变得透明的木材结构上仍然是木头,但是强度远超过木头,相比玻璃、塑料又更容易降解,还具有一些常用透明材料不具备的独特光学特性。通过一系列简单的方法就能够把木头中的色素分离出来,经过处理的木板,总透光率竟然高达90%。

要获得透明木头,必须去掉木头的颜色。木质素是木头颜色的源头,它通过内含的特殊发色基团使木材产生颜色。通常的做法是将木质素去除,就像白纸的生产中必须去除木质素的原因类似。然而,木质素在木质组织中的重要作用是将纤维素纤维粘结在一起保持木头的结构。在通常的认识与实践中,如果木质素被去除,将导致木头的骨架结构被破坏,从而木头失去强度而散架,更无法进行后续的工艺过程。马里兰大学胡良兵教授领导的团队基于大量实验进行了工艺设计和优化,克服了木质素去除、树脂灌注木头结构易于破坏等困难,研发了透明木头的制备工艺,获得了光学高度透明的木头复合材料。 例如,即便木材颜色褪去,木材的独特内部微纳结构仍保持不变,木材里用于输送水分和养分的微细导管不仅可以把环氧树脂充分吸收进去,而且形成光的独特通道,利用环氧树脂的折射率匹配造成透明的效果。更有趣的是,由于木头天然而独特的内部结构,透明木头表现出强烈的光学和力学的各向异性。

AM-huliangbing

胡良兵教授表示,透明木头是一种新的材料,集美观和实用于一体,因此其应用前景比较看好。而且,由于工艺没有用到昂贵的试剂和仪器,这项研究的成本并不高,随着技术的成熟,未来还会进一步降低。同时,填充材料广泛的选择性使得其可以发展基于透明木头的功能材料。例如,可以选择更容易降级、更环保的透明聚合物材料获得更环境友好、可降解的透明木头,甚至将纤维素材料填充进去获得全天然的透明木头。将天然颜料填充进去,可以获得各种颜色的透明木头。这些基于透明木头衍生材料将获得更广阔的应用前景。论文第一作者,来自中国南京大学的访问学者祝名伟举例称,透明木头可以做桌子和书架等家具,也可以开发成透光、结实又防水的建筑材料,还可以成为艺术家的创作原料,从而影响、改变我们的环境体验和生活。尽管透明木头从实验室走入普通生活还需要时间,也许其立刻应用还存在一些困难,但是,科技的进步越来越加速,颠覆性的科学、技术的创新往往源于科学家的fearless idea。

胡良兵教授的研究团队最近致力于透明木头的进一步开发, 希望能够把透明木头技术推进到千家万户。

该论文发表于最新一期的Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201600427)上。