一篇文章带你玩转神奇的透明木材！

透明木材是一种多功能木质复合材料，关于透明木材的第一份报道来源于Fink公司于1992年编写的木材形态学研究。后来，通过将机械性能与光学透射率研究相结合，提出了透明木材在工程相关领域的应用。由于在基本木材特性基础上增加了光学透射率，透明木材有助于木材解剖学研究，还可用于透光智能建筑、电子设备，以及光伏电池和光源等光子设备。

在此，笔者总结了近年来透明木材相关的研究报道和研究进展。

一. 制备工艺

1. Sci. Adv.: 太阳能辅助制造大规模、可构图的透明木材

透明木材被认为是节能工程应用中一种有前途的结构和光管理材料。然而，用于制造透明木材的基于溶液的脱木素过程，通常消耗大量的化学物质和能量。在此，美国马里兰大学胡良兵团队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骨架，同时大大减少了化学和能量消耗以及加工时间。所获得的透明木材(厚度约1mm)显示出高透光率(> 90%)、高雾度(> 60%)和在可见光波长范围内优异的导光效果。此外，作者可以使用这种方法，在木材表面直接获得不同的图案，这赋予透明木材优异的图案可加工性。这种透明木材结合了其高效、可图案化和可扩展的生产，是节能建筑应用的一种有前途的候选材料。

图1 制作透明木材的示意图及其图案演示。

文献链接：Solar-assisted fabrication of large-scale, patternable transparent wood

https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabd7342.abstract

2. J. Mater. Chem. A.: 厘米厚的透明木材

透明木材具有高透光率、良好的隔热性和高韧性，是一种极具吸引力的节能建筑结构材料。然而，厚的高度透明的木材很难实现。在此，瑞典皇家理工学院Lars Berglund和Min Yan合作，通过木材模板乙酰化的界面操作实现了高透光率的透明木材(1.5 mm)，具有92%的透光率，接近纯聚甲基丙烯酸甲酯(95%)的透光率。实验和电磁建模都支持透射率的提高主要是由于界面剥离间隙的消除。通过应用这种方法，获得了一厘米厚的透明木材结构。通过在顶部层压聚合物分散液晶膜，透明木材可以用作光学可调窗口的基底。本研究展示的技术在未来可替代智能窗户和智能建筑中的玻璃。

图2 （a）改性高透明木材结构的示意图；（b）非乙酰化透明木材(左)和乙酰化透明木材(右)。

文献链接：Towards centimeter thick transparent wood through interface manipulation

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/TA/C7TA09973H#!divAbstract

二. 节能建筑

1. Nat. Commun.: 适用于节能建筑的可扩展、美观透明木材

如今，节能建筑材料对于降低室内能耗非常重要，因为它们能够更好地隔热、促进有效的阳光收集并提供舒适的室内照明。在此，美国马里兰大学胡良兵团队基于空间选择性脱木素和环氧树脂渗透工艺，展示了一种新颖的可伸缩的美观透明木材，具有美学特征(例如完整的木材图案)、优异的光学性能(平均透光率约为80%，雾度约为93%)、良好的紫外线阻挡能力和低热导率(0.24 W m^-1K^-1)。此外，美观木材的快速制造工艺和机械强度(91.95 MPa的高纵向抗拉强度和2.73 MJ m^-3的韧性)有利于放大生产规模(320mm×170mm×0.6mm)，同时节省大量时间和精力。这种美观的木材在节能建筑应用中有很大的潜力，如玻璃天花板、屋顶、透明装饰和室内面板。

图3 美观木材的制作、微观结构和外观。

文献链接：Scalable aesthetic transparent wood for energy efficient buildings

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17513-w

2. ChemSusChem： 节能建筑用大尺寸透明木材

透明木材作为一种节能建筑材料，具有高透光率、优异的力学性能和良好的隔热性能，极具吸引力。然而，目前的研究仅限于在实验室制作小尺寸样品。一种能够容易且有效地生产任何尺寸和任何厚度的透明木材的方法，对于实际应用是理想的。南京林业大学Yaoli Zhang团队提出一种新的制备方法，以木质纤维制成的透明木材作为基材，可使细胞壁与浸渍的聚合物结合更紧密，从而提高透光率。与以前报道的方法制备的木材相比，用这种新方法制备的透明木材不仅保留了相同的优点，而且制备效率更高，适合大规模生产。在模拟真实环境下，透明木材样板房室内温度的可保持性，揭示了纤维基透明木材因其导热系数低而表现出的优异隔热性能，在节约热能方面显示出显著的效益。

图4 透明纤维木材（a）和传统透明木材（b）的合成方法和照片。

文献链接：Large-Size Transparent Wood for Energy-Saving Building Applications

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cssc.201801826

3. J. Mater. Chem. A.: 用于隔热窗应用的含纳米Cs_xWO₃的透明木材

上海大学Yanfeng Gao团队将纳米粒子分散在预聚合的甲基丙烯酸甲酯中，然后填充到脱木质素木材的纳米孔中，制备透明木材。该木质复合材料表现出优异的近红外(NIR，范围从780到2500 nm)屏蔽能力和高可见光透明度。Cs_xWO₃/透明木材也表现出优异的机械性能，断裂强度高达59.8 MPa，模量高达2.72 GPa。CsxWO3/透明木材有望成为智能窗应用的潜在材料。

图5 Cs_xWO₃/透明木材的合成路线和样品图像。

文献链接：Transparent wood containing Cs_xWO₃nanoparticles for heat-shielding window applications

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/TA/C7TA00261K#!divAbstract

三.能源应用

1. ACS Sustainable Chem. Eng.:钙钛矿太阳能电池用光学透明木质基板

由于其低密度(ca. 1.2 g cm^-3)、高透光率(1 mm厚时超过85%)、低热导率(0.23 W m⁻¹K⁻¹)、良好的承重性能和坚韧的失效行为(无碎裂)，透明木材成为节能建筑材料的候选材料。高透光率也使透明木材成为光电器件的候选材料。在这项工作中，瑞典皇家理工学院Yuanyuan Li和Licheng Sun合作，首次成功地将低温(< 150℃)处理的钙钛矿太阳能电池,直接组装在透明的木质基底上,获得高达16.8%的功率转换效率。该技术可为太阳能电池与透光木结构建筑的集成铺平道路，以达到节能的目的。

图6 透明木材制备过程和在透明木材基底上组装太阳能电池的示意图。

文献链接：Optically Transparent Wood Substrate for Perovskite Solar Cells

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.8b06248

2. Nano Energy: 用于太阳能电池中高效宽带光管理的透明和雾状木质复合材料

高效的宽带光管理以增强活性层内的光俘获，对于许多能量转换器件，如薄膜太阳能电池和光电化学电池，是至关重要的。在这项工作中，美国马里兰大学胡良兵团队通过沿自然形成的低弯曲度通道，快速提取木质素，然后快速填充聚合物，展示了高度透明的介孔木材复合材料。透明木材在400 nm至1100 nm的宽波长范围内，显示出高光学透射率，同时显示出高雾度。由于具有这种独特的光学性能，具有纳米纤维素的透明木材复合材料可用于一系列光电子学，特别是太阳能电池和广角照明，其中光管理对于提高器件工作效率至关重要。实验证明，新开发的透明木质复合材料可用作宽范围的光控制层，并且当简单地涂覆GaAs薄膜太阳能电池时，可显著提高高达18%的整体能量转换效率。这项对木质光管理材料的研究，为未来的发展提供了一个有吸引力的平台，例如具有高效光管理的绿色一次性光电器件。

图7 通过去除木质素和随后的聚合物渗透制造具有高光学雾度的透明木材的示意图。

文献链接：Transparent and haze wood composites for highly efficient broadband light management in solar cells

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285516301410

四.光管理应用

1. Adv. Mater.: 发光透明木材

包含活性荧光材料的功能光转换层是许多器件中的必要组件。瑞典皇家理工学院Ilya Sychugov团队通过用富含量子点的甲基丙烯酸甲酯渗透木材模板，成功制造了结合光学和承载功能的发光透明木材。在这一转变过程中，没有检测到光学退化的迹象，表明量子点与封装用透明木材基质间良好的相容性。木质结构引入了强散射，导致嵌入量子点的漫射发光，这对于平面光源和发光建筑构件或家具是有利的。木材细胞壁的表面改性将有助于调节这种新材料的光散射特性，使其具有更广泛的应用前景。

图8 量子点透明木材制备示意图。

文献链接：Luminescent T ransparent Wood

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.201600834

2. Compos.Sci.Technol.: 作为柔性有机发光二极管显示器基底的光学透明木材-纤维素纳米复合材料

光电子技术的快速发展使得柔性显示器成为可能。在这些显示技术中，有机发光二极管(OLED)因其具有吸引人的显示应用特性而受到了广泛关注。然而，市售的有机发光二极管是在玻璃衬底上制造的。日本京都大学Yoko Okahisa团队用从木粉中提取的纤维素纳米纤维增强了9种基体树脂，并测量了常规透光率、拉伸模量和热膨胀系数值。为了评估其作为显示基板的潜在应用，在木材-纤维素纳米复合材料上制备了有机发光二极管材料。因此，我们成功地在柔性、低热膨胀系数和光学透明的木质纤维素纳米复合材料上嵌入了有机发光二极管。在相同的纤维含量下，使用较低杨氏模量基质树脂的纳米复合材料，示出比使用较高杨氏模量基质树脂更低的热膨胀系数值。这项研究实现了非常低的热膨胀系数的同时，具有高柔韧性和延展性的纳米复合材料的发展。此外，由于木材-纤维素是最丰富的生物质资源之一，这些纳米复合材料的生产可以在商业规模上进行。

图9 在柔性、低热膨胀系数和光学透明的木材-纤维素纳米复合材料上的有机发光二极管的发光图片。

文献链接：Optically transparent wood–cellulose nanocomposite as a base substrate or flexible organic light-emitting diode displays

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353809001663

3. Adv. Opt. Mater.：嵌入透明木材中的有机染料分子发射激光

瑞典皇家理工学院Elena Vasileva团队报道了一种基于染料罗丹明6G分子嵌入的透明木材的激光发射研究。将激光发射性能，与聚甲基丙烯酸甲酯基质中含有染料的有机材料进行比较。从实验结果可以得出结论，染料-透明木材中的光反馈是在纤维素纤维中实现的，纤维素纤维起着微小光学谐振腔的作用。因此，输出发射是单个谐振器的整体贡献。基于这个事实，以及谐振器/光纤的低Q因数和它们的长度变化，激光发射的谱线被加宽到几个纳米。

图10 （a）化学处理前的轻木照片；（b）脱木质素的木材；（c）透明木材(没有染料分子嵌入)。

文献链接：Lasing from Organic Dye Molecules Embedded in Transparent Wood

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.201700057

五.代表性综述

1. Adv. Opt. Mater.：光学透明木材:最新进展、机遇和挑战

透明木材是一种新兴的承重材料，由天然木材支架改造而成，具有额外的光管理功能。这种材料在建筑和相关结构应用中显示出极具前途的性能，包括其可再生和丰富的来源、有趣的光学性能、优异的机械性能、低密度、低热导率和多功能化的巨大潜力。瑞典皇家理工学院Yuanyuan Li等发布综述论文，详细总结了透明木材研究的最新进展，讨论了与透明木材制备、光学性能测量以及透明木材改性和应用相关的问题和挑战。

图11 通过脱木素方法制备透明木材的示意图。

文献链接：Optically Transparent Wood: Recent Progress, Opportunities, and Challenges

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201800059

本文由Nelson供稿。

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