《Nat.Commun.》木头大王再突破: 美学透明木材-美与功能的完美结合

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如今，节能建筑材料通过实现更好的隔热，促进有效的太阳光的捕获和提供舒适的室内照明，对于降低室内能耗非常重要。近日，马里兰大学帕克分校胡良兵教授团队发明了一种新型的可规模化制备的美学透明木材（简称美学木材），其具有综合的优异特征：1. 美学特征--完整的木材纹理；2. 优异的光学性能（平均透射率约为80％，雾度约为93％）；3. 良好的紫外线阻隔能力；4. 低导热性（0.24 W m^-1K^-1）。此外，美学木材的快速制备工艺和良好的机械性能（较高的纵向拉伸强度为91.95 MPa，韧性为2.73 MJ m^-3）有利于美学木材的大规模制备（320 mm×170 mm×0.6 mm），同时节省了大量的时间和能量。美学木材在节能建筑应用中具有巨大潜力，例如玻璃天花板，屋顶，透明装饰和室内面板。

当前制造木材的方法通常基于完整（或几乎完整）的脱木质素工艺，即去除大部分吸光材料（木质素和提取物）或去除发色成分保留木质素约80％。但是，加强的化学处理会严重破坏原始的木材结构（例如，细胞壁部分降解，并且生长环的纹理变得不太明显）。此外，先前的工作通常集中在形态和各向异性的光学，机械和热学性质的分析与讨论，但很少有对于木材中交替出现的结构，天然纹理的美学以及高效的处理工艺得以实现规模化制造这些方面的研究。

因此在这项工作中，胡良兵教授团队通过选择性地去除天然木材中的木质素来使木材透明并同时保留其天然纹理，从而开发出一种美学透明的木材（称为美学木材）。这里由于其低密度早材（EW）和高密度晚材（LW）之间具有明显的结构对比，软木（例如花旗松）被选择作为概念验证。在短短的2小时化学处理后，天然木材被选择性地脱除部分木质素并且保留其原始的纹理。然后将折射率匹配的环氧树脂渗透到纳米级框架结构中，以使木材透明并保留原始纹理。这项工作首次提出美学木材这一新颖概念，其结合了美学与光学透明性，紫外线阻隔性，隔热性，机械强度等功能。相信这种多功能的美学木材将在现代绿色建筑中拥有巨大的潜力。

图1. 美学木材的制造，微观结构和外观。a结合了木材的周期性（年轮）和各向异性（有序排列的通道）以实现一种新型的透明木材的设计说明。b示意图显示在快速选择性脱木质素和聚合物渗透后，美学木材-R的制备过程。c，e聚合物填充后的天然木材和致密的美学木材-R微观结构的SEM截面图（EW和LW之间有清晰的边界）。d，f照片显示了一块大尺寸的美学木材R（86 mm×86 mm×2 mm），具有花旗松的原始纹理以及高的平均透光度（在600 nm处为80％）。

图2. 美学木材的形态和化学特征. a花旗松的SEM图像显示其孔结构。b，c EW和LW的SEM放大图显示了微观结构腔的差异。d有序排列的管饱结构。e天然花旗松中EW和LW的孔径分布。f在实验室中（0-10 h）去除木质素过程中，木材样品的颜色和图案变化的照片比较。g失重行为与脱木素过程的关系。h 拉曼光谱成像结合顶点成分分析（VCA）后，天然木材（未经处理的参比物）和选择性脱除木质素的EW和LW的细胞壁（CW）成分。i（h）中相应的拉曼光谱。

图3. 美学木材的可规模化。a四分之一切片切割示意图，以获得具有直线图案的木单板。b 大型美学木材-L（展示的样品尺寸为320 mm×170 mm×0.6 mm）。c填充聚合物后，保留的整个木材微观结构的SEM图像。d–e放大的SEM图像显示了充满聚合物的EW和LW。f–g相应的细胞壁上有序排列的管道和有序排列的纤维素纳米纤维的SEM图像。h–j所得美学木材中木细胞的VCA。k对应的拉曼光谱。

图4. 美学木材的光学特性和图案设计。a所得美学木材在EW和LW中的透射率（标记为1-8的位置代表EW区域，而1'-8'的位置代表LW区域）。b制备的美学木材表现出的紫外线阻隔性能：在200-400 nm处具有高吸收率，在600 nm处具有高透射率和低反射率。c可以通过堆叠两层美学木材来获得格状的美学图案。

图5. 美学木材的导光效果和隔热性能。a-b示意性的场景显示了与玻璃天花板相比，通过应用美学木材（在d中缩写为AW）天花板，建筑物内部的光分布和美学吸引力。c具有沿轴向和径向的温度分布的美学木材的IR图像。d玻璃，美学木材（AW）的轴向和径向的热导率。

以上成果近期发表于Nature Communications (Ruiyu Mi, Chaoji Chen, et al., Nature Communications. 2020）。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17513-w

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