木頭是人類最早使用的材料之一。在很長的歷史時期，木材在建筑材料領域一直獨霸江湖。雖然木材具有價廉、安全、環(huán)保、易加工、可再生等諸多優(yōu)點，但因為不透光，逐漸被玻璃所取代。現(xiàn)代玻璃制造工業(yè)是高能耗、高污染行業(yè)。建筑領域大規(guī)模使用玻璃，由于其隔熱性差，大約有30%左右的制冷、取暖能量通過玻璃窗戶消耗掉。再加上玻璃存在價高、易破碎、不易加工等缺點，人們一直想苦苦尋找玻璃的替代品。如何使木頭變成“透明”材料，曾經(jīng)是人類千百年的神奇夢想。
近日，我校鄭榮波副教授團隊利用化學改性方法，將普通木材變成透明木材，在“透明木材”研究領域取得了重大進展。談起這一神奇的“魔術”過程，鄭老師介紹說，透明木材是一種新的材料，集美觀和實用于一體，應用前景看好。經(jīng)過處理，變得透明的木材在結(jié)構(gòu)上仍然是木頭，甚至強度遠超過木頭，比木頭更加堅硬。與此同時，透明木材比玻璃、塑料更容易降解，還具有一些常用透明材料不具備的高霧度、高各向異性等獨特光學特性。
將普通木材透明化，不是魔法而是科學
為什么普通木頭不透光呢？第一是含有木質(zhì)素，光被木質(zhì)素所吸收。第二，木材孔隙率非常大，內(nèi)部有許多微孔，木材折射率較高，比空氣多0.5左右。打個比方，普通紙張由于內(nèi)部存在微孔結(jié)構(gòu)導致不透明，假如將紙張浸油后，紙張則會變成透明。
如何使普通木材透明化，國內(nèi)外科學家冥思苦想，一直在進行不懈探索。早在1992年德國科學家Siegfried Fink首次提出“透明木材”研究方案。他們把木材中的“木質(zhì)素”提取后，填充和木材纖維素折射率匹配的聚合物，抑制光的散射和吸收，從而提高木材的透光率，并用于木材的微觀結(jié)構(gòu)測試。
2016年瑞典皇家理工學院瓦倫堡木材科學中心主任Lars Berglund教授首次在實驗室制造出了結(jié)構(gòu)型“透明木材”，并進行了功能性研究。同年美國馬里蘭大學華人科學家胡良兵研究團隊，把透明木材做到了和玻璃相似的厚度，所制備的透明木材的透光率達到了80%到90%，機械強度比原木強很多，隔熱性是玻璃的3到4倍。經(jīng)國內(nèi)媒體報道后，在國內(nèi)掀起一股透明木材的研究熱。
影響“透明木材”產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的制約瓶頸
雖然國內(nèi)外科學家已成功制造出“透明木材”，但還只是做出小尺寸、毫米厚度的實驗室小樣。目前，該研究領域亟待解決的難題主要有兩個：首先，在第一道“脫木質(zhì)素”工藝環(huán)節(jié)，目前普遍利用含氯、硫的沸騰漂白溶液。在此過程中，木材纖維素骨架在沸騰的漂白液中極易破碎，根本無法制備大尺寸、超厚度的透明木材。其次，脫木質(zhì)素所使用的漂白溶液，由于含有氯、硫等有毒有害元素，極易造成環(huán)境污染，后續(xù)環(huán)保處理非常棘手。因而，尋找大尺寸、超厚度透明木材的可工業(yè)化制造的綠色工藝，是該研究領域亟待解決的瓶頸難題。
從中國蒸餃中獲得靈感，成功破解了世界級難題
國外“透明木材”研究熱剛剛興起時，鄭老師即組織課題組成員密切跟蹤文獻，緊緊圍繞“大尺寸、超厚透明木材”的方向開展研究。首先，課題組經(jīng)過實驗篩選，研制出綠色環(huán)保無污染的雙氧水體系的漂白液，解決了含氯、硫的漂白溶液污染問題。其次，采用沸騰溶液法脫木質(zhì)素，容易造成木材纖維骨架破碎。針對這一難題，鄭老師受中國蒸餃加工的啟發(fā)，通過網(wǎng)格將木材與沸騰雙氧水溶液隔開，利用雙氧水蒸汽的超強滲透力，將木材中的木質(zhì)素殘留量控制在0.8%以下，僅為漂白液熱煮法脫木質(zhì)素的一半，且仍保持木材纖維素骨架的完整性。由于蒸汽法脫木質(zhì)素工藝，去除木質(zhì)素的同時，在木材內(nèi)部產(chǎn)生了豐富的微納級的多孔結(jié)構(gòu)。這些微納級的孔道，有利于高分子聚合物滲入填充。通過高聚物的致密填充，有效地抑制了光吸收，消除界面間隙，提高了透光率和機械強度，最終制備出厚達5厘米的透明木磚。
成果受到國際同行們的熱議和高度
鄭老師的文章在材料學專業(yè)老牌雜志《Journal of Materials Research》上發(fā)表后，受到國際同行們的熱議和高度贊賞。美國材料學會MRS Bulletin的“News”專欄特別撰文，對該成果進行了介紹（Steaming technique makes wood transparent）。美國物理學會網(wǎng)站“Inside Science”也以新聞的形式對此進行了報道（New technique improves transparent wood）。根據(jù)Altmetric評分標準，該項成果獲得14分的高分，在同期刊全部1398篇文章中排名13，在全世界1270萬篇文章中排名為前10%。
瑞典皇家理工學院教授、瓦倫堡木材科學中心主任Lars Berglund（第一位制造出結(jié)構(gòu)型透明木材的科學家）評論認為，“The work is truly novel in that the steam-based approach has not been used before and it potentially offers real advantages”（該成果用于制備透明木材的汽蒸法為首次報道，且優(yōu)勢明顯），對該項成果給予極高的評價。
未來，透明木材將成為這些領域的“新寵兒”
透明木材作為新型的功能材料，應用前景非常廣闊。與未處理木材相比，透明木材的機械強度增加了3～6倍；與普通玻璃相比，隔熱性更高、能進入的光線更多；與普通塑料相比，綠色、可再生。總之，透明木材因其制備工藝簡單、原材料易獲取、又具有高透光率、高霧度、優(yōu)異韌性、質(zhì)輕、較低熱導率等一系列優(yōu)點，如能大規(guī)模工業(yè)化批量生產(chǎn)，可在節(jié)能建筑材料、家居材料、汽車玻璃、太陽能電池板和電子器件等領域具有廣泛的應用前景。鄭老師說，他研制的大尺寸、超厚透明木材制造新工藝綠色無害，基于其僅玻璃1/3的導熱率，符合國家節(jié)能減排，產(chǎn)業(yè)前景非常廣闊。記者采訪期間，鄭老師向我們展示了用透明木材搭建的簡易房屋模型。普通木頭搭建的簡易模型房子非常暗，而三面墻都用兩厘米厚的透明木材搭建的模型采光極好，無論晴天陰天，只要有日出，室內(nèi)亮度都是普通家用日光燈管的兩到三倍，可達到白天基本不用室內(nèi)照明的效果。加厚到五厘米的“透明木磚”，經(jīng)測試亮度也可達到預期效果。
繼續(xù)努力，打通成果轉(zhuǎn)化的“最后一公里”
中國是木材消費大國，透明木材應用前景非常廣闊。目前大尺寸、透明木材還只是處于實驗室成果階段，想要實現(xiàn)真正的工業(yè)化，尚有很長的路要走。下一步課題組準備聯(lián)合相關企業(yè)，走校企聯(lián)合之路，盡快使該項技術成果產(chǎn)業(yè)化，在企業(yè)落地生根，走出一條產(chǎn)業(yè)化的道路，盡快將透明木材這種新材料造福人類。
“擼起袖子加油干”才能夢想成真
采訪期間，記者看見鄭老師辦公桌上的幾篇文獻資料。記者隨手翻閱其中有兩篇文獻，發(fā)現(xiàn)上面密密麻麻的用紅筆和黑筆做滿勾畫和注記。看得出來這些資料不知道翻了多少次，同時也能明白研究者為了這一成果付出了多少努力。鄭老師說，首先得在最新的研究中進行詳細調(diào)研，這份前期工作得花大量的時間和精力，很多時候團隊成員都要通宵達旦的工作。“習總書記教導我們要‘擼起袖子加油干’，作為一線的科研人員，應該時刻不忘使命和不忘擔當。”，鄭老師說，“記得有一次，為了測試木材形貌，和學生一起專程坐飛機去了北京。”長期的拼搏探索終于換來研究成果的收獲。
采訪后記
記者了解到，鄭老師博士畢業(yè)于中國科學院大學，碩士畢業(yè)于中國科技大學，先后師從于錢逸泰院士、唐芳瓊研究員，并曾在中科院長春應化所汪爾康院士、董紹俊院士課題組工作多年。多年的科研經(jīng)歷也有了些許心得。他說，作為科研工作者，雖然每個人的工作模式和習慣都不同，但有一點很重要，那就是應該堅守第一線，自己親手去做。第一手資料應及早掌握，和學生一起工作，這樣才能盡早發(fā)現(xiàn)問題，有利于大的突破。
平衡工作與生活才是最佳的狀態(tài)，才能做出更多的貢獻。鄭老師有兩個孩子，雖然研究工作很忙，但還是會抽出時間陪伴家庭，享受生活。在美國農(nóng)業(yè)部林產(chǎn)品實驗室訪學的時候，一年發(fā)了四篇重要科研文章的同時也把美國幾乎轉(zhuǎn)了個遍。
以后，科幻大片里的魔幻透明小屋也許就是我們的家，一起期待！
