木头这种材料还有晶莹剔透的?

透光木头不仅比原始木头强度更高,透光性好,还具有一系列常用透光材料不具备的独特光学特性。

作为一种传统建筑材料,木材已经渐渐淡出了如今的建筑领域,不过,科学家的一些奇思妙想,却可能让木材重新在建筑领域大放异彩。最近,美国马里兰大学的研究人员制备出了一种透光木头。这种新型材料不仅强度是普通木头的4~5倍,而且透光率可以达到90%。

制作透光木头的工艺并不复杂。研究人员首先通过化学方法,将木头中的木质素脱去。木质素是一种褐色的天然有机聚合物,它包裹着纤维素,赋予木头强度和韧性,同时也赋予木头颜色。随后,研究人员再将脱木素木头浸泡在环氧树脂中,使木头中的所有孔洞都充满这种透明物质。一块美观又实用的透光木头就诞生了。

这项研究发表在了5月份的《先进材料》(Advanced Material)杂志上。该研究的负责人、美国马里兰大学杰姆斯克拉克工程学院材料科学与工程系终身教授胡良兵介绍说,透光木头不仅比原始木头强度更高,透光性好,还具有一些常用透光材料不具备的独特光学特性。

透光木头的最独特之处在于,它的内部贯通着无数的天然微通道。当它还是一棵树的一部分时,树木就靠这些微通道(即植物的维管系统)输送水和养分,以维持生命。在填充环氧树脂之后,这些微通道就化身成光的通道,形成了类似光纤的结构,光线汇聚其中,沿着通道传播。如果你用这种新材料制作建筑物的屋顶或窗户,将使得更多光线进入你的房子。而在普通的玻璃和塑料中,光线发生的只是透射。

“实际上,维管系统是一种非常复杂的结构,可以说是大自然的巧夺天工,实验室还很难复制出这么精巧的结构,”论文第一作者,胡良兵实验室访问学者、南京大学的祝名伟博士在接受《环球科学》采访时说,“维管的直径是从几十到几百微米,但其管壁是由直径几个微米的纤维构成,而每根纤维又是由直径几十个纳米的纳米纤维构成。这种结构赋予了新材料很多新性能,例如很高的强度,光学、热学、力学等的各向异性,视觉上的柔和感,等等。”

透光木头的透光度可达90%,光雾度(Optical haze,指偏离入射光2.5°以上的透射光强占总透射光强的百分数)接近100%。也就是说透光木头虽然透光度很高,但绝大部分的光偏离了入射光原来的方向。这也是透光木头与玻璃塑料等一般材料的最大区别。一般材料的光雾度是由光在材料中散射产生的,光雾度和透光度成反比。而在透光木头中,光在微管里面传输,是一种类似于光波导的效应,理想情况就是不损耗光的能量,只改变其传播方向。这种独特的效应导致了高透光度和高雾度的同时存在。

兼具高透光度和高雾度,使这种新材料对太阳能产业也极具价值。高透光度使得光线很容易透过材料,光能损耗非常低。高光雾度则使得光在材料中经过的距离更长,可以帮助太阳能电池捕获更多的光。研究人员已经通过试验证明,新材料可以将实验砷化镓太阳能电池的效率提高18%左右。

值得一提的是,虽然试验中使用的原木是椴木,填充物是环氧树脂,但实际制作时对原木种类没有要求,因为木头的基本组成和结构都差不多,可选择的填充物也很多,可以根据不同的需求选择不同的填充材料。唯一要求是,木头和填充物的折射率必须匹配(Index-matching,即两种介质的折射率尽量接近,这样可以控制光在材料中的传播行为,例如调控透射、反射、折射的比例,等等)。如果填充环保、可降解甚至天然的聚合物材料,那么新材料就是环境友好的了。

对于新材料的应用前景,祝名伟非常乐观,“如果用作屋顶材料,室内的光线分布将更均匀、更舒适。填充彩色的聚合物材料,将获得更炫目的视觉效果。透光木头的应用只受限于我们的思维,新材料会拥有一个广阔的应用空间。”

目前研究人员已经可以制备厚度1厘米、长宽依赖于木头尺寸的透光木头。如果要制备透光木头桌子,可以像做普通桌子一样进行拼装。从技术层面来说,新材料走进普通大众的生活问题不大。但从实验室进入商业化生产,需要对工艺和设备进行优化、改进和放大,肯定还需要一些时间。