實(shí)木迎來第二春！經(jīng)“魔改”的木頭透明又抗摔耐造，有望重回主流

2025-10-20 15:21

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

編者按：

在科技迅猛發(fā)展的當(dāng)下，從高精尖設(shè)備的研發(fā)，到對深海、外太空等極端環(huán)境的大膽探索，每一項(xiàng)革新與突破的背后，都離不開新型先進(jìn)材料的支撐！“逆天改命”新材料系列文章將聚焦那些材料中的“叛逆者”。它們借助科學(xué)家們的巧妙設(shè)計以及前沿技術(shù)的加持，徹底改寫了自身的一些固有特性，從而打破命運(yùn)的枷鎖，以全新的姿態(tài)，肩負(fù)起推動人類文明邁向未來的重任！

提起用木頭造的東西，大家會立刻想到什么呢？是古代的馬車、建筑、弓弩……還是古樸的木制家具和實(shí)體書本？

在很多人的印象里，木頭都是一種逐漸淡出主流視野的古老材料，它似乎與日益逼近的“萬物智聯(lián)”的時代格格不入。

至于什么才是現(xiàn)代生活的代表性材料？玻璃、塑料以及各種高性能合金或許都是更受大眾認(rèn)可的答案。

透明木頭上保留的若隱若現(xiàn)的木紋能增加美感（圖片來源：馬里蘭大學(xué)帕克分校 Hu的團(tuán)隊(duì)）

然而，這個情況可能就要改變了。一些科學(xué)家正試圖通過“魔改”木頭，來為它“逆天改命”！有人讓木頭變得透明和堅(jiān)韌，使其可以取代玻璃和塑料；另一些，則讓它“抓住”了激光，制造出一種全新的照明材料。

看似平平無奇的木頭，似乎正要改寫未來材料科學(xué)的格局。

01古老材料煥發(fā)“第二春”

你知道嗎？木頭曾是人類文明中泛用性最強(qiáng)的材料。在農(nóng)耕、軍事、建筑、文化等領(lǐng)域，都發(fā)揮著不可替代的作用！小到農(nóng)具、家具和書冊，大到戰(zhàn)車、宮殿、巨型器械……都少不了它的身影。

甚至于在二戰(zhàn)時，大量采用木制材料制作而成的“蚊”式輕型轟炸機(jī)仍可以憑借其優(yōu)良的性能，與同時代的諸多“金屬對手”較量。

二戰(zhàn)時的木制“蚊式”轟炸機(jī) 因?yàn)樾阅軆?yōu)良被譽(yù)為“木頭奇跡” （圖片來源：維基媒體 Chris Woodrich）

然而后來，隨著越來越多高分子材料的“崛起”，木頭逐漸“失寵”。與此同時，一些被廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代材料，其實(shí)也存在不少缺點(diǎn)。

比如，玻璃雖然透光性好、耐磨、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但其抗沖擊能力較弱，一旦碎裂還可能帶來安全隱患。

經(jīng)過強(qiáng)化的“鋼化玻璃”或“防彈玻璃”則要么因其在結(jié)構(gòu)上的缺陷，而存在“自爆”風(fēng)險，要么成本過高、重量過大……所以相關(guān)領(lǐng)域的研究人員一直希望能找到性能更優(yōu)的替代材料。

鋼化玻璃依靠制造“應(yīng)力差異”提升強(qiáng)度卻可能在特定條件下“自爆” （圖片來源：央廣網(wǎng)）

直到大約30年前，一位德國的植物學(xué)家在研究木頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，意外造出了“透明木材”。此后，來自中國林科院木材工業(yè)研究所、瑞典皇家理工學(xué)院以及美國馬里蘭大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，則是通過“實(shí)打?qū)崱钡母脑?，讓這種新材料逐漸走向了應(yīng)用舞臺。

02兩步走的“魔改”手術(shù)

木頭是由無數(shù)個微小的中空管道（細(xì)胞）組成的，像一把緊緊捆綁在一起的吸管。而將這些“吸管”粘合在一起，并賦予木頭棕褐色澤的，是一種叫做木質(zhì)素（lignin）的物質(zhì)。

為了讓木頭變透明，研究人員采用了一種兩步走的“改造手術(shù)”。首先，他們要為木頭去除“色素”。具體的做法是，通過化學(xué)漂白或直接移除的方式，把木質(zhì)素這個“色素膠水”給處理掉。

研究人員用氫氧化鈉等化學(xué)品對木材進(jìn)行初步處理（圖片來源：Advanced Materials）

完成這一步后，木頭會變成一個乳白色的、由中空細(xì)胞構(gòu)成的“骨架”。在這之后，研究人員需要向其中填充“透明膠”。

被移除了木質(zhì)素的木頭骨架依然是不透明的，因?yàn)樗鼉?nèi)部中空的細(xì)胞內(nèi)充滿了空氣。光線在穿過細(xì)胞壁和空氣時，會因?yàn)椤罢凵渎省钡牟煌l(fā)生散射，所以我們看到的會是一片模糊的白色。

為了解決這個問題，研究人員會向這個骨架中，注入一種特殊的環(huán)氧樹脂。這種樹脂的折射率，與木頭細(xì)胞壁的折射率幾乎相同。當(dāng)它填滿了所有的中空管道，光線就能相對順暢地穿過木頭，從而讓木頭奇跡般地透明起來！

為了讓成品“透明木頭”的透光率足夠高，它的厚度必須足夠薄，通常不到1毫米，也有團(tuán)隊(duì)因?yàn)閼?yīng)用方面的需要，在嘗試制作接近厘米級的成品。

盡管厚度有限，但木頭中由細(xì)胞所形成的堅(jiān)固蜂窩結(jié)構(gòu)依然可以保證足夠的強(qiáng)度！不要小看這種微小的木纖維，它的強(qiáng)度甚至可以與最優(yōu)質(zhì)的碳纖維媲美。

研究人員表示，加上樹脂后，透明木材在諸多性能指標(biāo)上超過了塑料和玻璃，它堅(jiān)韌無比，難以被摔碎，在抗壓、抗沖擊等的性能測試中，透明木材比透明塑料（如有機(jī)玻璃）強(qiáng)約三倍，其韌性比玻璃高約十倍。

處理前后的“木頭”透光性對比（圖片來源：Advanced Materials）

03研究“瓶頸”激發(fā)靈感，造出新光源

“透明玻璃”若被造得太厚，則可能導(dǎo)致在其中散射的光線過多，從而影響整體透光率。此外，如果填充材料的光折射率與細(xì)胞壁的匹配度不夠，也會對透光造成負(fù)面影響。

因此，就有人開始考慮，既然將木材做得完全透明如此困難，不如干脆換個思路！

中國林科院木材工業(yè)研究所的唐啟恒團(tuán)隊(duì)于是不再尋求去消除“魔改木頭”中的“霧”。相反，他們要想辦法加強(qiáng)它，利用它！

團(tuán)隊(duì)經(jīng)過對比，選取了細(xì)胞壁薄、孔隙大的輕木作為基礎(chǔ)材料，并將其加工為圓球，使其可以自然、均勻地向四面八方散射光線。

接著，研究人員將木球置于亞氯酸鈉溶液中，在90°C下蒸煮48小時，去除了木質(zhì)素，只留下一個由纖維素框架構(gòu)成的白色、多孔的“三維骨架”。

最后，研究人員對其進(jìn)行了深度凈化與溶劑置換，在除去先前步驟所留下的化學(xué)殘留后，利用有機(jī)溶劑（如乙醇）置換出了木材微孔中的水分。直到木球完全干凈后，他們又利用真空箱抽真空，讓光學(xué)透明的環(huán)氧樹脂充分滲入木材的每一個納米級孔隙，然后通過紫外線或加熱使樹脂固化！

通過除木質(zhì)素、深度凈化、樹脂填充等工藝讓木頭“脫胎換骨” （圖片來源：林苑科普）

最終的成品，直接使霧度提升至 90% 以上。用激光照射時，光線會被木頭內(nèi)部的無數(shù)纖維反復(fù)散射，使整個木球成為了一個明亮且能均勻發(fā)光的“燈泡”。

它不需要借助熒光粉來進(jìn)行“光轉(zhuǎn)換”，在理論上，能量損耗會更小，也比LED更高效。。未來可能被應(yīng)用在科研探索、國防照明等領(lǐng)域。

新材料在理論上擁有更高的發(fā)光效率、更低的發(fā)熱量（圖片來源：林苑科普）

04更“聰明”的木頭：會調(diào)光、能隔熱

透明木材并不僅僅是簡單的“玻璃替代品”，研究人員看重其高強(qiáng)度、高韌性、隔熱性良好的特點(diǎn)，正在積極拓展透明木頭的應(yīng)用前景。

首先，在如今這個智能設(shè)備無處不在的時代，這種材料很適合被用在觸摸屏上。事實(shí)上已經(jīng)有商業(yè)公司在開發(fā)用于汽車儀表盤、廣告牌等產(chǎn)品的觸摸感應(yīng)式木質(zhì)屏幕了。

其次，在建筑裝飾領(lǐng)域，比如天花板、智能窗等的制造中，半透明的木材也是一種極為理想的材料。它可以讓建筑內(nèi)的光線變得柔和、均勻。

通過植入在通電后會變色的“電致變色聚合物”，研究人員還可以實(shí)現(xiàn)對透明木頭透光性的智能控制。而若是向其中植入“相變材料”（通過固液轉(zhuǎn)換來儲存和釋放熱量的材料），則可以令這種透明木頭在天熱時吸收熱量，天冷時再釋放出來，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的“溫度調(diào)控”。

最后，也有一部分研究人員試圖利用從檸檬皮、橙皮里提取出的成分來合成生物基聚合物，用以取代石油基樹脂，造出更環(huán)保的透明木頭。