本文最初发表于 Knowable Magazine。
三十年前，一位德国植物学家有一个简单的愿望：在不解剖的情况下观察木本植物的内部结构。通过漂白植物细胞中的色素，西格弗里德·芬克（Siegfried Fink）成功地制造出了透明木材，并在一本小众木材技术期刊上发表了他的技术。这篇1992年的论文在十多年后才被拉尔斯·伯格伦德（Lars Berglund）一位研究人员偶然发现，成为关于透明木材的最后定论。
伯格伦德受到芬克发现的启发，但并非出于植物学原因。这位在瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）工作的材料科学家专攻聚合物复合材料，并希望创造一种比透明塑料更坚固的替代品。他对木材的优点感兴趣的并非只有他一人。在海洋的另一边，马里兰大学的研究人员也在致力于一个相关目标：利用木材的强度用于非传统用途。
如今，经过多年的实验，这些研究小组的成果已初见成效。透明木材可能很快会被应用于制造超坚固的智能手机屏幕、柔和发光的灯具，甚至作为结构材料，例如变色窗户。
“我坚信这种材料拥有光明的未来，”中国南京林业大学的木材纳米技术专家、曾在美国伯格伦德实验室攻读研究生的齐亮富（Qiliang Fu）说道。
木材由无数微小的垂直通道组成，就像一捆紧密捆绑在一起的吸管。这些管状细胞在树木中输送水分和养分，当树木被砍伐且水分蒸发后，会留下空气空隙。要制造透明木材，科学家首先需要改变或去除将细胞束结合在一起并为树干和树枝提供大部分棕褐色调的胶质——即木质素。在漂白木质素的颜色或以其他方式去除它之后，会留下一个中空细胞的乳白色骨架。
这个骨架仍然是不透明的，因为细胞壁弯曲光线的程度与细胞空隙中的空气不同——这个数值称为折射率。用像环氧树脂这样弯曲光线程度与细胞壁相似的物质填充空气空隙，就能使木材变得透明。
科学家们使用的材料很薄——通常小于一毫米到一厘米厚。但材料科学家梁冰（Liangbing Hu）表示，细胞形成了一个坚固的蜂窝结构，而且微小的木纤维比最好的碳纤维更坚固。梁冰是马里兰大学帕克分校（University of Maryland in College Park）领导透明木材研究小组的负责人。加入树脂后，透明木材的性能超过了塑料和玻璃：在测量材料在压力下断裂或破碎的容易程度的测试中，透明木材的强度约为透明塑料（如有机玻璃）的三倍，韧性约为玻璃的十倍。
“结果令人惊叹，一块木头竟然能和玻璃一样坚固，”梁冰说道。他在2023年的《材料研究年度回顾》中重点介绍了透明木材的特性。
该工艺也适用于较厚的木材，但穿过该物质的视野会比较模糊，因为它会散射更多的光。在他们2016年的原始研究中，梁冰和伯格伦德都发现，毫米厚的填充树脂的木材骨架可以透过80%到90%的光。随着厚度接近一厘米，透光率会下降：伯格伦德小组报告称，3.7毫米厚的木材——大约相当于两枚硬币的厚度——仅传输了40%的光。
该材料的纤薄轮廓和强度意味着它可以成为替代薄而易碎的塑料或玻璃制品的绝佳选择，例如显示屏。例如，法国公司Woodoo在其木材屏幕中采用了类似的去除木质素工艺，但保留了一部分木质素以营造不同的色彩效果。该公司正在为汽车仪表板和广告牌等产品定制可回收、触摸感应的数字显示屏。
印度瓦拉纳西理工学院（Indian Institute of Technology Varanasi）的生物化学工程师普罗迪尤特·达尔（Prodyut Dhar）表示，但大多数研究都集中在将透明木材作为建筑构件，其中窗户是一个特别有前景的应用。透明木材的隔热性能远优于玻璃，因此可以帮助建筑物保持或阻挡热量。梁冰及其同事还使用了聚乙烯醇（PVA）——一种用于胶水和食品包装的聚合物——来渗透木材骨架，制造出导热率比玻璃低五倍的透明木材，该团队于2019年在《先进功能材料》上报道了这一成果。
研究人员还在不断尝试其他改进方法，以增加木材储存或释放热量的能力，这对于节能建筑将非常有用。瑞典RISE研究机构的材料科学家席琳·蒙塔纳里（Céline Montanari）及其同事试验了相变材料，这些材料在从固态变为液态或反之时，会从储存热量转变为释放热量。通过掺入聚乙二醇等物质，科学家们发现他们的木材可以在温暖时储存热量，并在冷却时释放热量。他们于2019年在《ACS应用材料与界面》上发表了相关研究。
因此，透明木材窗户将比传统玻璃更坚固，并且在温度控制方面表现更好，但透过窗户的视野会比较模糊，更像磨砂玻璃而不是普通窗户。然而，如果用户需要散射光，这种模糊感可能是一种优势。伯格伦德说，由于较厚的木材很坚固，它可以作为部分承重的光源，可能作为天花板，为房间提供柔和的、环境光。
梁冰和伯格伦德一直在探索赋予透明木材新特性的方法。大约五年前，伯格伦德和他在KTH及佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的同事发现，他们可以模仿智能窗户，智能窗户可以从透明变为有色，以阻挡视线或阳光。研究人员将一种电致变色聚合物——一种能随电流改变颜色的物质——夹在涂有导电聚合物电极的透明木材层之间。这创造了一块木质窗板，当用户通过微小电流时，它可以从透明变为品红色。
最近，这两个小组的注意力转向了提高透明木材生产的可持续性。例如，填充木材骨架所用的树脂通常是石油基塑料产品，因此最好避免使用它，蒙塔纳里说。作为替代，她和同事发明了一种完全生物基的聚合物，由柑橘皮制成。该团队首先将丙烯酸和柠檬烯——一种从柠檬和橙子皮中提取的化学物质，存在于精油中——结合在一起。然后，他们将脱木质素的木材浸渍在其中。研究人员于2021年在《先进科学》上报道，即使使用了果味填充物，这种生物基透明木材也保持了其机械和光学性能，能够承受约30兆帕的压力，比普通木材的强度更高，并且透光率约为90%。
与此同时，梁冰的实验室最近在《科学进展》上报道了一种更绿色的木质素漂白方法，该方法利用过氧化氢和紫外线辐射，进一步降低了生产的能源需求。该团队用过氧化氢刷涂了大约0.5到3.5毫米厚的木片，然后将它们放在紫外线灯前，模拟太阳光线。紫外线漂白了木质素中含色素的部分，但保留了结构部分，从而有助于保持木材的强度。
根据达尔及其同事在《环境科学与技术》上发表的分析，尽管这些更环保的方法有助于限制生产中使用的有毒化学品和化石基聚合物的用量，但目前玻璃的生命周期末期环境影响仍低于透明木材。研究人员表示，采纳更环保的生产方案和扩大生产规模是透明木材进入主流市场的必要步骤，但这需要时间。然而，他们相信这是可以实现的，并对其作为可持续材料的潜力充满信心。
“当你试图实现可持续性时，你不仅仅是想匹配化石基材料的性能，”蒙塔纳里说。“作为一名科学家，我希望能超越它。”
本文最初发表于 Knowable Magazine，这是一个独立的、来自《年鉴评论》的新闻报道。注册 时事通讯。
