三十年前，德国的一位植物学家有一个简单的愿望：在不解剖木本植物的情况下观察它们的内部运作。通过漂白植物细胞中的色素，西格弗里德·芬克成功地制造出了透明木材，并在一个利基木材技术期刊上发表了他的技术。1992年的论文在十多年里一直是关于透明木材的最后定论，直到一位名叫拉斯·伯格伦德的研究人员偶然发现了它。
伯格伦德受到了芬克发现的启发，但不是出于植物学的原因。这位在瑞典皇家理工学院工作的材料科学家，专门研究聚合物复合材料，并对创造一种更坚固的透明塑料替代品感兴趣。而且他对木材的优点并非唯一感兴趣的人。在大洋彼岸，马里兰大学的研究人员正忙于一个相关的目标：为非传统用途利用木材的强度。
现在，经过多年的实验，这些研究小组的研究开始结出硕果。透明木材可能很快就会在超强智能手机屏幕、柔和的发光灯具，甚至结构特征（如变色窗户）中找到用途。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
“我真的相信这种材料有着光明的未来，”南京林业大学的木材纳米技术专家傅其亮说，他曾在伯格伦德的实验室担任研究生。
木材由无数细小的垂直通道组成，就像一捆用胶水捆绑在一起的稻草。这些管状细胞在树木中输送水分和养分，当树木被采伐且水分蒸发后，会留下气穴。为了制造透明木材，科学家首先需要改性或去除将细胞束捆绑在一起的木质素，木质素赋予树干和树枝大部分泥土棕色色调。在漂白去除木质素的颜色或以其他方式去除木质素后，会留下乳白色的空心细胞骨架。
这种骨架仍然是不透明的，因为细胞壁弯曲光线的程度与细胞气穴中的空气不同——这个值称为折射率。用环氧树脂等弯曲光线的程度与细胞壁相似的物质填充气穴，使木材变得透明。
科学家们使用的材料很薄——通常不到一毫米到大约一厘米厚。但细胞创造了一个坚固的蜂窝结构，微小的木纤维比最好的碳纤维更坚固，马里兰大学帕克分校透明木材研究小组负责人、材料科学家梁冰胡说。并且随着树脂的加入，透明木材的性能优于塑料和玻璃：在测量材料在压力下断裂或破裂难易程度的测试中，透明木材的强度大约是透明塑料（如有机玻璃）的三倍，韧性大约是玻璃的十倍。
“结果令人惊叹，一块木头竟然可以像玻璃一样坚固，”胡说，他在2023年的《材料研究年度评论》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，但透过该物质看到的视野会更加模糊，因为它会散射更多的光线。在他们2016年的原始研究中，胡和伯格伦德都发现，毫米厚的树脂填充木骨架可以让80%到90%的光线通过。随着厚度接近一厘米，透光率下降：伯格伦德的研究小组报告称，3.7毫米厚的木材——大约两枚便士硬币的厚度——仅透射40%的光线。
该材料的纤薄外形和强度意味着它可以很好地替代由薄而易碎的塑料或玻璃切割而成的产品，例如显示屏。例如，法国公司Woodoo在其木质屏幕中使用了类似的木质素去除工艺，但保留了一点木质素以创造不同的色彩美感。该公司正在为其可回收、触敏数字显示器量身定制产品，包括汽车仪表板和广告牌。
但是，印度瓦拉纳西印度理工学院的生物化学工程师普罗迪尤特·达尔说，大多数研究都集中在将透明木材作为一种建筑特色，其中窗户是一种特别有前景的用途。透明木材的隔热性能远优于玻璃，因此它可以帮助建筑物保持热量或将其阻挡在外。胡和他的同事还使用了聚乙烯醇或 PVA——一种用于胶水和食品包装的聚合物——渗透到木材骨架中，使透明木材的导热率比玻璃低五倍，该团队在2019年的《先进功能材料》中报告。
研究人员还在提出其他调整方法，以提高木材保持或释放热量的能力，这将对节能建筑有用。瑞典 RISE 研究机构的材料科学家席琳·蒙塔纳里和她的同事们尝试了相变材料，这种材料在从固态变为液态或反之亦然时，会在储存热量和释放热量之间切换。例如，通过掺入聚乙二醇，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，他们将这项工作发表在2019年的《ACS 应用材料与界面》上。
因此，透明木窗比传统玻璃更坚固，并且在温度控制方面做得更好，但透过它们看到的视野会比较模糊，更类似于磨砂玻璃而不是普通窗户。然而，如果用户想要漫射光，这种模糊性可能是一种优势：由于较厚的木材很坚固，它可能成为部分承重的光源，伯格伦德说，有可能充当为房间提供柔和环境光的天花板。
胡和伯格伦德继续尝试赋予透明木材新的特性。大约五年前，伯格伦德和瑞典皇家理工学院以及佐治亚理工学院的同事发现，他们可以模仿智能窗户，智能窗户可以在透明和有色之间切换，以阻挡视线或阳光。研究人员将一种电致变色聚合物——一种可以通过电力改变颜色的物质——夹在涂有导电电极聚合物的透明木材层之间。这创造了一块木板，当用户向其中施加少量电流时，木板会从透明变为品红色。
最近，这两个研究小组已将注意力转移到提高透明木材生产的可持续性上。例如，蒙塔纳里说，用于填充木材支架的树脂通常是石油衍生的塑料产品，因此最好避免使用它。作为替代品，她和同事发明了一种完全生物基的聚合物，来源于柑橘皮。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，他们用它浸渍脱木素的木材。研究人员在2021年的《先进科学》中报告说，即使使用水果馅料，生物基透明木材也保持了其机械和光学性能，承受的压力比普通木材高出约30兆帕，透光率约为90%。
与此同时，胡的实验室最近在《科学进展》上报告了一种更环保的木质素漂白方法，该方法依赖于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在厚度约为0.5至3.5毫米的木片上，然后将它们放在紫外线灯前以模拟太阳光线。紫外线漂白了木质素中含有色素的部分，但保留了结构部分完整，从而有助于在木材中保持更多的强度。
达尔和同事在《整体环境科学》中的一项分析表明，这些更环保的方法有助于限制生产中使用的有毒化学物质和化石基聚合物的数量，但就目前而言，玻璃的报废环境影响仍然低于透明木材。研究人员表示，采用更环保的生产方案和扩大生产规模是将透明木材添加到主流市场的两个必要步骤，但这需要时间。然而，他们对实现这一目标充满信心，并相信它作为一种可持续材料的潜力。
“当您试图实现可持续发展时，您不仅要匹配化石基材料的性能，”蒙塔纳里说。“作为一名科学家，我想超越这一点。”
本文最初发表于Knowable Magazine，这是 Annual Reviews 的一项独立新闻事业。注册新闻通讯。