透明木头问世！“木头大王”胡良兵再发顶刊，已成立公司加速落地

木材是人类最古老的建筑材料之一，也是一种绿色节能材料，我们对其外观的认知可谓根深蒂固。如今，随着透明木材的问世，这一观感将被颠覆。

日前，马里兰大学材料科学与工程教授胡良兵团队，在《自然》子刊《自然·通讯》Nature Communications 上，发表论文《用于节能建筑可扩展的美学透明木材》（Scalable aesthetic transparent wood for energy efficient buildings）。

图 | 胡良兵（来源：受访者）

论文展示了一种美学透明木材（下称“美观木材”），研究中所用的原始木材，是非透明的。研究团队通过去除木材中的吸光成分，并使用复合材料加工工艺，不仅让木头变得透明，还大大提升了力学性能。

DeepTech 联系到胡良兵，并就美观木材的研发，进行了深入交流。

图 | 美感木材的制作、微观结构和外观（来源：受访者）

据他介绍，为减轻能源消耗和环境污染，开发绿色节能材料迫在眉睫。鉴于木材产量丰富、可再生、成本低等优势，木材及其衍生物，一直被视为优异的绿色节能建筑材料。

本次研发的美观木材，具有重量轻、透光率高、导热系数低、机械强度高等优点。同时，还能有效收集阳光，不仅节能，还能让室内照明更舒适。

在过去，制备类似材料的方法，通常是去除木头中的吸光物质或色素成分，只保留约 80％ 的木质素。并利用化学处理，来破坏木材的原始结构，以确保有效的聚合物渗透。

此前的研究，通常集中在木材的光学性能和机械性能上，很少有人讨论木材交替的结构、木材原始的年生长模式的自然美感，以及对木材进行可扩展的制造。

为改善上述现状，本次研究基于天然木材的周期性和各向异性（物质的化学、物理等性质，随着方向的改变而有所变化，并在不同方向上呈现出差异性），展示了两种不同类型的美观木材：（1）与木材平面垂直的微通道类型，称之为美学木材-R）；（2）与木材平面平行的微通道类型，称之为美学木材-L。

具体制备中，通过横截面切割方式，从天然木材中获得的美学木材-R，由于早材（EW）和晚材（LW）之间存在明显的微观结构差异，因此可以清晰地看见年轮。在除去木质素后，早材区几乎变成白色，而晚材区保留了部分木质素。

然后，再把环氧树脂填充到木材骨架中，美学木材就可以被制作出来。制造出来的美学木材 R 不仅保留了木纹，且具有很高的平均透明度。

木材如何变透明？

本次研究主要使用冷杉树，木材本身是不透明的，因此去除木材的吸光成分，让木头变得透明是本次研究的关键步骤。

胡良兵表示，他们主要采用亚氯酸钠溶液，在 pH4.6 条件下对原始木材进行化学处理。

天然木材之所以呈现棕褐色，是因为木材中的木质素，有着较强的光线吸收力。

经过化学处理，木质素就能从细胞壁中溶出，发色基团也能被脱除，这时就会暴露出更多的纤维素。与此同时，木材的骨架结构仍能得到保留。

完成上述过程后，该团队使用纤维素折射率相匹配的聚合物，对木材进行浸渍，最终得到透明木材。

该研究的设计理念，主要基于原始木材的早材和晚材、在微观形貌结构上的差异性，即细胞壁薄厚和管腔直径的差异性，这会导致早材和晚材在溶液中，呈现出扩散速率上的不同。

而这种不同，能让研究人员在有一定空间选择性的前提下，脱除掉木材中的木质素。

以自然界中的软木和硬木为例，不同木材种类之间的结构差异，会给最终制备出来的材料，带来的不同美学效果。

如花旗松和松木这样的软木，这类木头的早材和晚材，在形貌、密度和微观结构上，都具有明显差异。最终所得材料，也会呈现出明显的生长纹理，并表现出独特的美学效果。

而对于椴木和轻木这类硬木来说，它主要依靠大导管来输送水分等，其细胞壁厚度相对均匀，且具有双峰状的孔径分布，因此在处理过程中，硬木的早材和晚材，会发生同步反应，最终结果是不会保留明显纹理。

每一块木材的纹理都是天然的，也是独一无二的，尽管依靠木材本身的特性，就可以呈现出美观度，但胡良兵团队还给木头设计了格子图案，这样图案可让木材的美感更具统一性。

图 | 格子图案设计过程

具体设计时，该团队结合木头的光学特性，通过以不同角度堆叠两块美学木材的方式，来实现各种格子图案。

具体步骤是：选用两块同样具有生长环的美学木材 A 和 B，先固定 A 的纹理方向，把 B 旋转 180° 之后叠加在 A 上，这样就能得到具有格子图案的美学木材。

可让房间真正实现冬暖夏凉

通过上述方式，该团队制备具有可调紫外线阻隔性能的美观木材，据胡良兵介绍，紫外线主要由三个波段 UVA（320-400 nm）、UVB（275-320 nm）和 UVC（200-275 nm）组成，波长越小、则能量越强。

尽管肉眼无法看见紫外线，但它会危害和损坏包括家具和室内显示器在内的许多材料。特别是在夏季，虽然 UVC 被臭氧层过滤，但仍有 3.5％ 的 UVB 和 96.5％ 的 UVA 到达地球表面。

在本次研究中，该团队经过 2 小时处理时间后，成功制备出在 200-400nm 范围内具有优良紫外线阻隔性能的美学木材，其可以屏蔽几乎 100％ 的 UVC 和 UVB 光谱，以及大部分 UVA 光谱。

与此同时，这种美学木材还能实现比玻璃更坚硬、更隔热的功能。

图 | 美观木材的导光效果和隔热性能

关于更坚硬这一性能，胡良兵告诉 DeepTech，美观木材属于一种纳米复合材料，这种材料中的木材基体、和所浸渍的聚合物之间存在强有力的键合，通过两者之间的协同作用，材料的力学性能可以大大提升，韧性高达 2.73 MJ m-3，远超于玻璃的韧性。

关于可隔热的功能，他表示，由于木材基体和聚合物的热导值，均比玻璃的热导值低，并且木材具有各向异性的骨架结构，这可以让美学木材实现各向异性的热管理性能。

由于美观木材尽管具有一定透明度，但它本身也具备高雾度的光学特性，所以能很好地保护用户在室内的隐私。

此外，美观木材也比较环保，玻璃制品需要经过高温，耗能比较大。美观木材主要使用水漂洗，无需经过高温，因此比较节能。未来，该实验室还将研究具有防噪性能的美观木材。

本次研究已经在实验室做出了尺寸为 320mm * 170mm * 0.6mm 的样品。据胡良兵介绍，美观木材的实验室制备成本很便宜，未来有望大规模制备。

胡良兵担任联合创始人的 InventWood 公司，正在对该材料进行产业化。比较常见的应用场景，如机场墙体、博物馆墙壁、玻璃屋顶、以及室内天花板，美观木材可以很好地满足这些场合的美观度要求。

由于隔温性能好，以中国为例，主要适用于温度较冷的东北、或者长期较热的部分南方地区。具体使用时，用于房间的采光面会非常好，因为它既可以当墙，又有很好的透明度，并且比玻璃的机械性能更好。

他举例称，玻璃墙面如果破裂，可能就是整面墙全部破裂。而木头内部全部是条状物，假如掰开木头，它也不会突然断掉。

而位于美国马里兰的 InventWood 公司，一直致力于超级木材的研究，并已经获得当地政府项目的支持。美观木材距离真正应用到公众的生活中，仍需要一定时间。目前，胡良兵实验室的专利已经转移到该公司，正是为了解决量产问题，从而加速落地。

林语堂曾说：“最好的建筑是这样的，我们深处在其中，却不知道自然在那里终了，艺术在那里开始。”

美观木材正是从树林取材，让人足不出户就能感受自然。而大自然本身就是最好的艺术家，只有多使用天然材料，才能更多享受大自然馈赠的天然福利。