胡良兵教授Sci. Adv.：“木头大王”和他的透明木头又有了新突破！

【研究背景】

透明木材因其独特的层次结构、高比强度和良好的光管理性能脱颖而出，展示了广泛的应用，包括光电器件、节能建筑材料、太阳能电池光管理和触摸面板。然而，传统的液相脱木素过程制造透明木材通常消耗大量的化学物质和能量。

【文章简介】

近日，马里兰大学胡良兵教授团队以“Solar-assisted fabrication of large-scale, patternable transparent wood”为题，在Science Advances上发表最新研究进展，报道了一种通过使用太阳能辅助化学刷涂方法，改变木材的木质素结构来生产光学透明木材的方法。这种方法保留了大部分木质素作为粘合剂，为聚合物渗透提供了坚固的木材支架，同时大大减少了化学和能量消耗以及加工时间。这种透明木材结合了高效、可图案化和可扩展的生产方法，是节能建筑应用的一种有前途的候选材料。

【文章解读】

1. 制造过程和工艺

图1A显示了透明木材的制造过程，通过两个步骤：首先，通过在木材表面刷H₂O₂来改变木质素的结构，然后用紫外光照射，可以利用自然阳光来去除木质素的吸光发色团。然后，折射率匹配的环氧树脂可以容易地渗透到微孔木材结构中，以制备透明的木材，形成致密的微结构和低光散射。天然木材的分层多孔结构促进了H₂O₂溶液的快速渗透/扩散和紫外光捕获，从而有效去除木质素的吸光发色团，显著降低其吸光率(< 4%)。与去除木质素的木材(0.4 MPa)相比，由于改性木质素与定向良好的纤维素原纤维结合，本研究的木质素改性木材还显示出高得多的拉伸强度(20.6 MPa)。

透明木材可以分别由横向和纵向切割的天然木材制成(图1B和C)。所得透明木材显示出高透光率(高达90%)、优异的拉伸强度(> 46 MP)和良好的光导效果。此外，使用这种化学刷涂结合紫外光照射方法，可以容易地对透明木材进行图案化(图1C)。

图1 制作透明木材的示意图及其图案演示。（A）简单而有效、环保、可扩展且低成本的透明木材制造方法的示意图；（B）沿着纵向的大尺寸透明木板图像；（C）沿横向的透明木材图像。

2. 结构特征

傅里叶变换红外光谱（图2A）显示，尽管降解了木质素的发色团，该方法仍保留了木质素的芳香骨架。此外，天然木材和木质素改性木材样品的木质素含量分别为~23.5%和~19.9%(图2B)，这进一步表明处理后大部分木质素结构得到了很好的保留。

保存下来的木质素可以作为粘合剂来增强木质素改性木材的机械性能，并为后续的聚合物渗透提供坚固的木材骨架。得益于强大的机械性能，进一步使用这种化学刷涂结合紫外光照射方法，制备了长度约为1 m的大木质素改性木材样品(图2C)。

使用这种木质素改性木材，然后用环氧树脂通过真空渗透它，以获得最终的透明木材产品。图2显示了天然木材、木质素改性木材和透明木材的SEM图像。天然木材显示出三维的分级和相互连接的多孔结构(图2d和g)，其特征在于直径在约15至300 μm范围内的微通道。木质素改性木材中微通道的直径在10至270 μm的范围内(图2e和h)，表明木质素改性木材在处理后保持了分级的、相互连接的多孔结构。最后，透明木材的SEM图像显示环氧树脂很好地渗透到木质素改性木材的孔中(图2F和I)，形成致密的结构，这有助于抑制光散射并提高透光率。

图2 透明木材的结构和成分表征。（A）红外光谱；（B）天然木材、木质素改性木材和透明木材的保留木质素含量；（c）米级木质素改性木材图片；天然木材（D）、木质素改性木材（E）和透明木材（F）的横向SEM图像；（G）天然木材、(H)木质素改性木材和(I)透明木材的纵向SEM图像。

3. 透明木头的光学和机械性能

沿横向和纵向方向的透明木材显示出优异的光学性能。沿纵向(图3A)和横向（图3A）的透明木材图像显示，可以清楚地看见背景图像。与天然木材的透光率(纵向<6%，横向<36%)相比，沿纵向和横向方向的透明木材在可见光波长范围(400至800nm)内具有约90%的高透光率(图3c)。由于去除了木质素的吸光发色团，< span="">透明木材(接近0%)在可见光波长下的吸收率也远低于天然木材(纵向<83%)(图3d)，这使得几乎所有的可见光都可以穿过透明木材。< span="">

此外，透明木材保留了垂直排列的微通道，允许光沿通道方向传播。如图3E所示，使用650nm的红色单模激光，沿纵向和横向方向垂直照射透明木材。结果表明，光束沿木材通道的方向传播，表明透明木材具有导光能力和各向异性的透光率。

测量了天然木材和透明木材在不同拉伸方向上的力学性能。透明木材在纵向和横向的拉伸强度分别为46.2MPa和31.4MPa，分别比天然木材的拉伸强度提高了1.8倍和44.8倍。与天然木材相比，透明木材的韧性也显著提高，如图3G所示。

图3 天然木材和透明木材的光学和机械性能。透明木材沿纵向（A）和横向（B）的图片；天然木材和透明木材的透光率（C）和吸收率（D）；（E）透明木材的导光传播；天然木材和透明木材的抗拉强度（F）和韧性（G）。

4. 图案特性

该化学刷涂结合紫外光照射方法，能够选择性地漂白木材样品的指定区域，这使得能够轻松制备具有不同图案的透明木材 (图4A和B)。带有数字(“4”)和字母(“A”)图案的透明木材样品如图4C和D所示。此外，还展示了具有更复杂几何形状的纵向透明木材样品，包括两个透明圆圈减去一个不透明钻石和一个阴阳符号(图4E和F)，表明使用化学刷涂结合紫外光照明方法可以获得具有任意图案的透明木材。

图4 可图案化透明木材的制作工艺。透明木材制作过程的示意图（A）和演示图案化（B）；有(C)数字4和(D)字母A、(E)圆形和菱形以及(F)阴阳图案的透明木材样品。

5. 透明木材的太阳能辅助制造

利用太阳能紫外光作为木材脱色的驱动力，实现透明木材的快速制作。图5A和B中的示意图展示了基于木材工业中成熟的旋转木材切割方法和太阳能辅助化学刷涂工艺，大规模制备透明木材。在作者实验室中，在将环氧树脂渗透到上述木质素改性木材中之后，获得了400mm×110mm×1mm的具有高透光率的透明木材(图5C)。进一步，作者评估了透明木材生产过程的能耗、成本和化学排放，并将其与基于氯化钠溶液的脱木素方法进行了比较(图5D和E)。

图5 太阳能辅助大规模制造透明木材。（A）透明木材的潜在大规模制造；（B）木质素改性木材的室外加工；（C）一块大透明木头的照片；（D）太阳能辅助化学刷洗工艺和氯化钠溶液脱木素工艺的能耗、化学成本和废物排放；（E）透明木材制造过程对比。

【结论】

总之，该研究展示了一种快速、经济、可持续的方法来制造可图案化的透明木材，该方法基于可扩展的太阳能辅助化学刷涂方法。在这个过程中，木质素的光吸收发色团被去除，这能够改善所得透明木材的光学性能，而不会完全破坏木质素的芳香结构。这种透明木材表现出优异的光学性能，而不会因木质素的高度保存而显著牺牲材料的机械强度。此外，太阳能辅助化学刷涂方法可以选择性地处理木材样品的指定区域，赋予透明木材优异的可设计图案化能力。与基于溶液的脱木素工艺相比，该研究的太阳能辅助化学刷涂具有更高的生产效率、更低的成本，并且更可持续和可控。这种廉价而高效的透明木材制造也可以使用天然太阳能，将该技术的应用扩展到大规模工业生产。

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