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玻璃沒想到有一天對手會是竹子！木材是怎樣變透明的？

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-05-24 15:36:03

中國的科學家們已經(jīng)把普通的竹子變成了一種透明材料，這種材料還具有防火、防水和抑制煙霧的功能。由沙子制成的硅玻璃仍然是需要透明而堅固的建筑材料，比如窗戶。但它并不特別具有可持續(xù)性，而且可能又重又脆，實際上，透明木材幾年前就已經(jīng)開始搶占玻璃的地盤。

透明木材又稱為透光木材，是木材經(jīng)過脫色和透明化處理后得到的一種新型綠色復(fù)合材料。

科學家用化學方法去除木纖維中的木質(zhì)素，然后用有機玻璃或環(huán)氧樹脂處理剩余材料。最終得到的材料是透明的、可再生的、與玻璃一樣結(jié)實或比玻璃更結(jié)實，同時重量更輕、隔熱性更好。不過，使用木材還是有一些問題。木材比玻璃更易燃，而且需求量大，需要很長時間才能補充庫存。因此，在這項新研究中，中國中南林業(yè)科技大學（CSUFT）的研究人員轉(zhuǎn)而使用竹子。

竹子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學成分與木材非常相似，因此研究小組采用了相同的方法將其變成透明的。去除木質(zhì)素后，竹子被注入一種無機液體硅酸鈉，改變纖維對光線的折射，使其變得透明。然后，再進行處理，使材料具有疏水性或拒水性。

最終的材料形成三層結(jié)構(gòu)--頂部是硅烷，中間是二氧化硅，底部是硅酸鈉，這種竹材是透明的，透光率高達 71.6%，具有阻燃、防水、阻擋煙霧和一氧化碳的功能。在力學方面，它的彎曲模量為 7.6 GPa，拉伸模量為 6.7 GPa。它不僅可以用作建筑材料，而且在用作過氧化物太陽能電池的基板時，它就像一個光管理層。這使電池的功率轉(zhuǎn)換效率提高了 15.29%。

1、透明木材性能優(yōu)于玻璃

可讓房間真正實現(xiàn)冬暖夏涼

木材和玻璃是我們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用最多的兩種材料，木材常用于制作家具和廚房用具，玻璃則可以用于制作器皿和屏障。

兩者都有自己的優(yōu)勢和劣勢，木材的優(yōu)勢在于重量輕、便于分割和雕刻，玻璃的優(yōu)勢在于密封性好、擁有透明和隔音等功能。

而木材的劣勢在于壽命較短，不透明，玻璃的劣勢在于比較脆弱，容易被擊碎。

那么能否研發(fā)出綜合玻璃和木材兩者優(yōu)點的材料嗎？根據(jù)外媒報道，近期國外一支研發(fā)團隊對外宣稱已經(jīng)研發(fā)出了一種透明木材，并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(xiàn)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(xié)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，遠超于玻璃的韌性。

關(guān)于可隔熱的功能，由于木材基體和聚合物的熱導值，均比玻璃的熱導值低，并且木材具有各向異性的骨架結(jié)構(gòu)，這可以讓美觀木材實現(xiàn)各向異性的熱管理性能。

由于透明木材并非完全透明，本身也具備高霧度的光學特性，所以能很好地保護用戶在室內(nèi)的隱私。

此外，這種木材也比較環(huán)保，玻璃制品需要經(jīng)過高溫，耗能比較大。而這種木材主要使用水漂洗，無需經(jīng)過高溫，因此比較節(jié)能。未來，該實驗室還將研究具有防噪性能的美觀木材。

2、透明木材的迭代創(chuàng)新

談到透明木材，就不能不提到一個人：畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學、馬里蘭大學材料科學與工程學院副教授胡良兵。

2013年將木頭用于鈉電池；2016年成功做出透明的木頭玻璃窗。后來，木頭在胡良兵的手上被玩出了花樣。

經(jīng)他手的木頭會變成電解質(zhì)、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(chuàng)新性與實用性兼具，是名副其實的“木頭大王”。

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，并使用復(fù)合材料加工工藝，不僅讓木頭變得透明，還大大提升了力學性能。

3、住宅建筑和功能性裝飾材料

透明木材大有用武之地

透明木材的研究不僅局限于化學成分的調(diào)整，制備工藝也在不斷優(yōu)化，其厚度、曲率、樹種方面也有了廣泛選擇，應(yīng)用領(lǐng)域被不斷拓寬。

現(xiàn)有研究多集中在電子設(shè)備、光學器件、住宅節(jié)能建筑及功能性裝飾材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。

隨著經(jīng)濟與科技的高速發(fā)展，人們開始重視可持續(xù)設(shè)計在居住環(huán)境與住宅建筑的應(yīng)用，講究綠色建筑、節(jié)能住宅。

2017年，科學家將CsxWO3納米粒子分散在預(yù)聚合的甲基丙烯酸甲酯中，并將上述聚合物填充于脫木質(zhì)素木模板的納米孔隙中。

該透明木材展現(xiàn)了優(yōu)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于降低住宅建筑對空調(diào)等能源的損耗，節(jié)能減排。

透明木材制備逐漸由薄木向厚木發(fā)展。2019年，科學家提出采用2-5cm厚的半透明木質(zhì)材料作為房屋模型的墻體材料，期間為了有效地收集陽光，實現(xiàn)室內(nèi)照明的一致性和均勻性，采用水蒸氣脫木質(zhì)素和環(huán)氧樹脂浸漬法制備符合材料。

此外，與透明木質(zhì)屋頂不同，半透明（透光率40%）木質(zhì)屋頂?shù)姆课菽Ｐ蛢?nèi)部從屋頂?shù)降孛娴墓鈴姸仍鰪姟?/span>

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，研究采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(yù)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制備透明木材。

在此過程中，保留了木質(zhì)素，使得透明木材制備過程縮短，更為節(jié)能，并且制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(chuàng)新性。

2019年，林詩琦等發(fā)明高區(qū)率透明木材制備技術(shù)，先將脫木質(zhì)素模板浸漬于樹脂中，后彎曲塑形，再固化獲得一種高區(qū)率透光木材。木材的曲面穩(wěn)定且具有優(yōu)異的機械性能，透光率可達85%以上，該技術(shù)為透明木在功能性裝飾材料方面的應(yīng)用增加了塑形能力。

4、透明木材落地量產(chǎn)將加速

目前，胡良兵擔任聯(lián)合創(chuàng)始人的 InventWood 公司，正在對該材料進行產(chǎn)業(yè)化。比較常見的應(yīng)用場景，如機場墻體、博物館墻壁、玻璃屋頂、以及室內(nèi)天花板，美觀木材可以很好地滿足這些場合的美觀度要求。

由于隔溫性能好，以中國為例，主要適用于溫度較冷的東北、或者長期較熱的部分南方地區(qū)。具體使用時，用于房間的采光面會非常好，因為它既可以當墻，又有很好的透明度，并且比玻璃的機械性能更好。

目前，已經(jīng)在實驗室做出了尺寸為 320mm * 170mm * 0.6mm 的樣品。據(jù)介紹，美觀木材的實驗室制備成本很便宜，未來有望大規(guī)模制備。

據(jù)了解，玻璃墻面如果破裂，可能就是整面墻全部破裂。而木頭內(nèi)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(yīng)用到公眾的生活中，仍需要一定時間。目前，實驗室專利已經(jīng)轉(zhuǎn)移到公司，有望解決量產(chǎn)問題，從而加速落地

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