好“玻璃”，木頭造！

【中玻網(wǎng)】當(dāng)前，能源緊缺問題日益嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)建筑能耗占社會(huì)總能耗的40%左右，因此，建筑節(jié)能是緩解能源短缺，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要工作。用于門窗的玻璃是繼水泥和鋼材之后的第三大建筑材料，對(duì)建筑節(jié)能減排至關(guān)重要。除此之外，玻璃在汽車、日用品等社會(huì)生活諸多方面應(yīng)用廣泛。

　　可是，玻璃和建筑能耗之間有什么關(guān)系呢？譬如夏天你打開空調(diào)，冬天打開暖氣，由于玻璃熱導(dǎo)率較高，隔熱性較差，很大一部分冷氣或者暖氣就會(huì)通過窗玻璃耗散。除此之外，玻璃還具有易碎，不易加工等特點(diǎn)。開發(fā)一種同時(shí)具有高透光率和優(yōu)異隔熱性能的新型材料來替代玻璃，對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義。

　　那么，能不能有什么東西能夠取代玻璃呢？

　　透明木材

　　木材具有廉價(jià)易得的優(yōu)勢(shì)，也是古代建筑材料的選擇，取代玻璃是個(gè)不錯(cuò)的方向。但是，玻璃的優(yōu)勢(shì)在于透明，木材是不透明的，怎么能取代玻璃呢？1992年，德國科學(xué)家Siegfried Fink就提出并實(shí)現(xiàn)了“透明木材”的想法，一直到2016年，以瑞典高等理工學(xué)院教授Lars Berglund、美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授等人為代表的多個(gè)團(tuán)隊(duì)重新開啟并帶領(lǐng)“透明木材”的研究，一時(shí)引起廣泛關(guān)注。

　　木材之不透光，主要在于兩點(diǎn)：1）木質(zhì)素會(huì)吸收光；2）木材中大量微孔導(dǎo)致折射率比空氣偏高。因此，常用的策略就是：1）提取木質(zhì)素；2）填充折射率相匹配的聚合物。

　　精工細(xì)作

　　早在2016年，胡良兵課題組就初次制備得到了兩種高各向異性、高透光性的透明木材。他們借用造紙術(shù)中常用的化學(xué)處理工藝，將3 mm厚，50X50 mm大小的木片浸泡在含有NaOH和Na2SO3的沸水溶液中去除部分木質(zhì)素，然后轉(zhuǎn)入雙氧水中，進(jìn)一步去除殘留的木質(zhì)素。進(jìn)一步，研究人員將透明的低粘度液體環(huán)氧樹脂浸入木材中，并反復(fù)進(jìn)行真空和去真空操作，讓環(huán)氧樹脂填充到微孔中，實(shí)現(xiàn)了透光率79.4%，霧度88.7%（550 nm波長）的透明木材。

　　這項(xiàng)技術(shù)主要依托成熟的工藝完成，成本完全可控。雖然如此，要想實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，還存在很多問題需要解決。譬如，如何進(jìn)一步提高透光率，如何制造更大尺寸的材料，如何穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)透光度、隔熱性、力學(xué)性能等多項(xiàng)指標(biāo)的同時(shí)達(dá)標(biāo)等等。

　　近日，胡良兵團(tuán)隊(duì)在降低透明木材的霧度方面又取得新進(jìn)展。霧度是衡量透明材料的一個(gè)重要指標(biāo)，霧度越大，材料對(duì)光的散射能力越強(qiáng)，人眼就越看不清。之前的研究中，透明木材的霧度一般都超過40%。這次，胡良兵研究團(tuán)隊(duì)在90%的高透光性前提下實(shí)現(xiàn)了10%的霧度，達(dá)到了透明木材霧度新紀(jì)錄。

　　研究人員通過NaClO脫除木材中的木質(zhì)素和部分半纖維素，再經(jīng)過和聚合物滲透的方法制備得到一種透明的木材復(fù)合材料。這項(xiàng)研究的特色在于：

　　1）木質(zhì)素和半纖維素的去除，進(jìn)一步增加了木材的多孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)聚合物的滲透，而且非常大削弱了光在木材中的散射和反射，使透光率高達(dá)90%，霧度被降低至10%；

　　2）該透明木材材料具有優(yōu)異的隔熱性能，其熱導(dǎo)率僅為普通玻璃的1/3；

　　3）此外，該復(fù)合材料還具有很好的韌性和延展性，有利于加工成板狀材料。這種兼具高透光率、低熱導(dǎo)率和較好機(jī)械性能的透明木材復(fù)合材料有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃，成為潛在的建筑門窗材料。

　　當(dāng)然，除了建筑材料之外，透明木材還可以用于日常生活中的方方面面，以及電池、可穿戴電子器件等等領(lǐng)域。我們期待在這一領(lǐng)域，見到更多好成果，從好玩到好用不斷打破！

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.Liangbing Hu et al.Highly Anisotropic,Highly Transparent Wood Composites.Adv.Mater.,2016.

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201600427

　　2.Liangbing Hu et al.Clear Wood towards High Performance Building Materials.ACSNano,2019.

　　https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00089