来源：技术邻
“透明木头”你听说了吗？
瑞典科学家和美国科学家成功研制了透明木头!为什么要研究透明木头？显然透明木头具有良好的力学性能，晶莹剔透的美观，感官上的档次提升了N个档次，这个发明的应用前景被广泛看好！例如，透明木头可以用来做书桌、书架和餐桌等；也可以作为建筑材料，建造透光、结实又防水的房子；同时，由于其美观性，甚至可能走上艺术家的创作台，成为创作原料。
那么怎么获得透明木头呢？
木头的确是大自然馈赠给人类的最简单也最容易使用的材料，不需要像钢铁一样去冶炼，也不需要像泥砖一样去烧制，切割加工也远远比石头要容易的多，除了千百年来人们一直在使用的木头房屋，即使是现在，看看我们的身边，木制家具，器皿，工具甚至艺术品仍然围绕着我们，丰富和充实着我们的生活。
木头，一直以来给人敦厚质朴，踏实耐用的感觉，这些感觉其实多多少少和木头作为一类材料本身的特性密不可分。例如，相比于钢铁，木头的热导率很低，触感温和舒适；相比于瓷器，木头质地坚韧，不易破损；相比于砖石，木头硬度较低，有一定的弹性，这些特性赋予了木材独特的活力 。然而，木头没有金属或者瓷器釉质靓丽的光泽和色彩，即使是精心打磨的木器，除了漂亮的纹理之外，本身仍然略显暗淡。如何在光学的角度为木材赋予更多的魅力，是包括科学家， 建筑师，设计师等等很多人群共同的目标，而透明木头就是其中一个有趣的课题。
材料科学界有一句亘古不变的箴言，结构决定性能。木头之所以具有上述这些性能特点，根本原因都是木头独特的显微结构决定的。木头有两个最大的结构特点：首先，木头是典型的各向异性材料，沿着木材成长的方向是管状纤维结构，包括各种导管和筛管，而垂直切开时，则可以看到常见的年轮结构；另一方面，木头也是天然的复合材料体系，主要由木质素基体和纤维素纤维组成，木质素基体抗压，纤维素纤维抗拉，导致木材具有十分均衡的力学性能。然而，从光学的角度上看，虽然纤维素纤维是透明的，但木质素含有色素，具有较深的颜色，因此木头作为一个整体仍然是不透明的。
那么如何才能将黄褐色的木头变成透明的呢?这里我们首先了解一下透明材料的本质。可见光透过物质进入我们的眼睛，就是所谓的透明。然而光和真实材料之间存在很多的相互作用，包括反射，吸收和散射。任何物质的表面都会反射一定比例的光，有些材料会吸收特定颜色的光，从而呈现出光谱中的补色，均衡吸收所有颜色光的物质则会表现为白色。而当材料在微观尺度上存在界面时，光在界面处会发生散射。只有当光与材料的反射，吸收和散射都不明显时，材料才会表现为透明。例如，普通玻璃是透明的，但特殊工艺制备的黑色玻璃会吸收可见光变得不再透明，含有大量裂纹的破碎玻璃在裂纹处存在光的散射，也会呈现出白色。
因此，为了获得透明木材，首先要除去木头本身的颜色，即消除光的吸收。科学家们从造纸行业获得了最初的灵感。众所周知，造纸行业本身就是将木材（或者类似的草本植物）粉碎溶于化学药品之中，采用特定的方法将带有颜色的木质素部分洗去，再将获得的纤维素纤维部分制成最终的纸张产品。科学家采用氢氧化钠，亚硫酸钠和双氧水对木头进行了一系列处理，不但成功除去了含有色素的木质素，同时保留了木头各向异性本身的纤维结构，但此时木头表现为白色而非透明，因为其中的孔隙和界面伴随着强烈的光的散射。
为了进一步消除光的散射，科学家将除去木质素之后的“空心木头”浸泡在与纤维素纤维本身具有相同折射率的环氧树脂溶液中，利用与树干传输水和养分相似的原理，环氧树脂被自发的吸收进入木头，替代木质素填充了其中纤维素之间的孔隙，最终变成树脂填满的“人造木头”。当光再次照射进入木头的时候，由于环氧树脂和纤维素与光的相互作用十分接近，光在而这界面处不再具有强烈的散射作用，因此表现出了很好的透明度。需要指出的是，透明木头基本保留了木头的结构，也就保留了木头本身的很多特性。不仅如此，环氧树脂的力学性能优于木质素，人造透明木头的力学性能也比天然木头得到了一定程度的提升。此外，在隔热保温和耐腐蚀方面，透明木头也会有不错的表现。
或许在不久的将来，透明木头有望取代玻璃做成房屋窗户，或者做成各种美观靓丽的家具和器皿，进入千家万户，不但不易破损，经久耐用，而且完全环境友好。可想而知，这将对木材行业甚，至是人类社会的资源利用和循环产生深远的意义，让我们拭目以待吧!
文章转载自微信公众号：FESIM有限元分析
