【研究背景】

透明木材因其獨特的層次結構、高比強度和良好的光管理效能脫穎而出，展示了廣泛的應用，包括光電器件、節能建築材料、太陽能電池光管理和觸控面板。然而，傳統的液相脫木素過程製造透明木材通常消耗大量的化學物質和能量。

【文章簡介】

近日，馬里蘭大學胡良兵教授團隊以“Solar-assisted fabrication of large-scale, patternable transparent wood”為題，在Science Advances上發表最新研究進展，報道了一種透過使用太陽能輔助化學刷塗方法，改變木材的木質素結構來生產光學透明木材的方法。這種方法保留了大部分木質素作為粘合劑，為聚合物滲透提供了堅固的木材支架，同時大大減少了化學和能量消耗以及加工時間。這種透明木材結合了高效、可圖案化和可擴充套件的生產方法，是節能建築應用的一種有前途的候選材料。

【文章解讀】

1. 製造過程和工藝

圖1A顯示了透明木材的製造過程，透過兩個步驟：首先，透過在木材表面刷H2O2來改變木質素的結構，然後用紫外光照射，可以利用自然陽光來去除木質素的吸光髮色團。然後，折射率匹配的環氧樹脂可以容易地滲透到微孔木材結構中，以製備透明的木材，形成緻密的微結構和低光散射。天然木材的分層多孔結構促進了H2O2溶液的快速滲透/擴散和紫外光捕獲，從而有效去除木質素的吸光髮色團，顯著降低其吸光率(< 4%)。與去除木質素的木材(0.4 MPa)相比，由於改性木質素與定向良好的纖維素原纖維結合，本研究的木質素改性木材還顯示出高得多的拉伸強度(20.6 MPa)。

透明木材可以分別由橫向和縱向切割的天然木材製成(圖1B和C)。所得透明木材顯示出高透光率(高達90%)、優異的拉伸強度(> 46 MP)和良好的光導效果。此外，使用這種化學刷塗結合紫外光照射方法，可以容易地對透明木材進行圖案化(圖1C)。

圖1 製作透明木材的示意圖及其圖案演示。（A）簡單而有效、環保、可擴充套件且低成本的透明木材製造方法的示意圖；（B）沿著縱向的大尺寸透明木板影象；（C）沿橫向的透明木材影象。

2. 結構特徵

傅立葉變換紅外光譜（圖2A）顯示，儘管降解了木質素的髮色團，該方法仍保留了木質素的芳香骨架。此外，天然木材和木質素改性木材樣品的木質素含量分別為~23.5%和~19.9%(圖2B)，這進一步表明處理後大部分木質素結構得到了很好的保留。

儲存下來的木質素可以作為粘合劑來增強木質素改性木材的機械效能，併為後續的聚合物滲透提供堅固的木材骨架。得益於強大的機械效能，進一步使用這種化學刷塗結合紫外光照射方法，製備了長度約為1 m的大木質素改性木材樣品(圖2C)。

使用這種木質素改性木材，然後用環氧樹脂透過真空滲透它，以獲得最終的透明木材產品。圖2顯示了天然木材、木質素改性木材和透明木材的SEM影象。天然木材顯示出三維的分級和相互連線的多孔結構(圖2d和g)，其特徵在於直徑在約15至300 μm範圍內的微通道。木質素改性木材中微通道的直徑在10至270 μm的範圍內(圖2e和h)，表明木質素改性木材在處理後保持了分級的、相互連線的多孔結構。最後，透明木材的SEM影象顯示環氧樹脂很好地滲透到木質素改性木材的孔中(圖2F和I)，形成緻密的結構，這有助於抑制光散射並提高透光率。

圖2 透明木材的結構和成分表徵。（A）紅外光譜；（B）天然木材、木質素改性木材和透明木材的保留木質素含量；（c）米級木質素改性木材圖片；天然木材（D）、木質素改性木材（E）和透明木材（F）的橫向SEM影象；（G）天然木材、(H)木質素改性木材和(I)透明木材的縱向SEM影象。

3. 透明木頭的光學和機械效能

沿橫向和縱向方向的透明木材顯示出優異的光學效能。沿縱向(圖3A)和橫向（圖3A）的透明木材影象顯示，可以清楚地看見背景影象。與天然木材的透光率(縱向<6%，橫向<36%)相比，沿縱向和橫向方向的透明木材在可見光波長範圍(400至800nm)內具有約90%的高透光率(圖3C)。由於去除了木質素的吸光髮色團，透明木材(接近0%)在可見光波長下的吸收率也遠低於天然木材(縱向<83%)(圖3D)，這使得幾乎所有的可見光都可以穿過透明木材。

此外，透明木材保留了垂直排列的微通道，允許光沿通道方向傳播。如圖3E所示，使用650nm的紅色單模鐳射，沿縱向和橫向方向垂直照射透明木材。結果表明，光束沿木材通道的方向傳播，表明透明木材具有導光能力和各向異性的透光率。

測量了天然木材和透明木材在不同拉伸方向上的力學效能。透明木材在縱向和橫向的拉伸強度分別為46.2MPa和31.4MPa，分別比天然木材的拉伸強度提高了1.8倍和44.8倍。與天然木材相比，透明木材的韌性也顯著提高，如圖3G所示。

圖3 天然木材和透明木材的光學和機械效能。透明木材沿縱向（A）和橫向（B）的圖片；天然木材和透明木材的透光率（C）和吸收率（D）；（E）透明木材的導光傳播；天然木材和透明木材的抗拉強度（F）和韌性（G）。

4. 圖案特性

該化學刷塗結合紫外光照射方法，能夠選擇性地漂白木材樣品的指定區域，這使得能夠輕鬆製備具有不同圖案的透明木材 (圖4A和B)。帶有數字(“4”)和字母(“A”)圖案的透明木材樣品如圖4C和D所示。此外，還展示了具有更復雜幾何形狀的縱向透明木材樣品，包括兩個透明圓圈減去一個不透明鑽石和一個陰陽符號(圖4E和F)，表明使用化學刷塗結合紫外光照明方法可以獲得具有任意圖案的透明木材。

圖4 可圖案化透明木材的製作工藝。透明木材製作過程的示意圖（A）和演示圖案化（B）；有(C)數字4和(D)字母A、(E)圓形和菱形以及(F)陰陽圖案的透明木材樣品。

5. 透明木材的太陽能輔助製造

利用太陽能紫外光作為木材脫色的驅動力，實現透明木材的快速製作。圖5A和B中的示意圖展示了基於木材工業中成熟的旋轉木材切割方法和太陽能輔助化學刷塗工藝，大規模製備透明木材。在作者實驗室中，在將環氧樹脂滲透到上述木質素改性木材中之後，獲得了400mm×110mm×1mm的具有高透光率的透明木材(圖5C)。進一步，作者評估了透明木材生產過程的能耗、成本和化學排放，並將其與基於氯化鈉溶液的脫木素方法進行了比較(圖5D和E)。

圖5 太陽能輔助大規模製造透明木材。（A）透明木材的潛在大規模製造；（B）木質素改性木材的室外加工；（C）一塊大透明木頭的照片；（D）太陽能輔助化學刷洗工藝和氯化鈉溶液脫木素工藝的能耗、化學成本和廢物排放；（E）透明木材製造過程對比。

【結論】

總之，該研究展示了一種快速、經濟、可持續的方法來製造可圖案化的透明木材，該方法基於可擴充套件的太陽能輔助化學刷塗方法。在這個過程中，木質素的光吸收發色團被去除，這能夠改善所得透明木材的光學效能，而不會完全破壞木質素的芳香結構。這種透明木材表現出優異的光學效能，而不會因木質素的高度儲存而顯著犧牲材料的機械強度。此外，太陽能輔助化學刷塗方法可以選擇性地處理木材樣品的指定區域，賦予透明木材優異的可設計圖案化能力。與基於溶液的脫木素工藝相比，該研究的太陽能輔助化學刷塗具有更高的生產效率、更低的成本，並且更可持續和可控。這種廉價而高效的透明木材製造也可以使用天然太陽能，將該技術的應用擴充套件到大規模工業生產。

Qinqin Xia, Chaoji Chen, Tian Li, Shuaiming He, Jinlong Gao, Xizheng Wang, Liangbing Hu, Solar-assisted fabrication of large-scale, patternable transparent wood, Science Advances, 2021. DOI:10.1126/sciadv.abd7342