三十年前，德國的一位植物學家有一個簡單的願望：在不解剖木本植物的情況下觀察它們的內部運作。透過漂白植物細胞中的色素，西格弗裡德·芬克成功地製造出了透明木材，並在一個利基木材技術期刊上發表了他的技術。1992年的論文在十多年裡一直是關於透明木材的最後定論，直到一位名叫拉斯·伯格倫德的研究人員偶然發現了它。
伯格倫德受到了芬克發現的啟發，但不是出於植物學的原因。這位在瑞典皇家理工學院工作的材料科學家，專門研究聚合物複合材料，並對創造一種更堅固的透明塑膠替代品感興趣。而且他對木材的優點並非唯一感興趣的人。在大洋彼岸，馬里蘭大學的研究人員正忙於一個相關的目標：為非傳統用途利用木材的強度。
現在，經過多年的實驗，這些研究小組的研究開始結出碩果。透明木材可能很快就會在超強智慧手機螢幕、柔和的發光燈具，甚至結構特徵（如變色窗戶）中找到用途。
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“我真的相信這種材料有著光明的未來，”南京林業大學的木材奈米技術專家傅其亮說，他曾在伯格倫德的實驗室擔任研究生。
木材由無數細小的垂直通道組成，就像一捆用膠水捆綁在一起的稻草。這些管狀細胞在樹木中輸送水分和養分，當樹木被採伐且水分蒸發後，會留下氣穴。為了製造透明木材，科學家首先需要改性或去除將細胞束捆綁在一起的木質素，木質素賦予樹幹和樹枝大部分泥土棕色色調。在漂白去除木質素的顏色或以其他方式去除木質素後，會留下乳白色的空心細胞骨架。
這種骨架仍然是不透明的，因為細胞壁彎曲光線的程度與細胞氣穴中的空氣不同——這個值稱為折射率。用環氧樹脂等彎曲光線的程度與細胞壁相似的物質填充氣穴，使木材變得透明。
科學家們使用的材料很薄——通常不到一毫米到大約一釐米厚。但細胞創造了一個堅固的蜂窩結構，微小的木纖維比最好的碳纖維更堅固，馬里蘭大學帕克分校透明木材研究小組負責人、材料科學家梁冰胡說。並且隨著樹脂的加入，透明木材的效能優於塑膠和玻璃：在測量材料在壓力下斷裂或破裂難易程度的測試中，透明木材的強度大約是透明塑膠（如有機玻璃）的三倍，韌性大約是玻璃的十倍。
“結果令人驚歎，一塊木頭竟然可以像玻璃一樣堅固，”胡說，他在2023年的《材料研究年度評論》中重點介紹了透明木材的特性。
該工藝也適用於較厚的木材，但透過該物質看到的視野會更加模糊，因為它會散射更多的光線。在他們2016年的原始研究中，胡和伯格倫德都發現，毫米厚的樹脂填充木骨架可以讓80%到90%的光線透過。隨著厚度接近一釐米，透光率下降：伯格倫德的研究小組報告稱，3.7毫米厚的木材——大約兩枚便士硬幣的厚度——僅透射40%的光線。
該材料的纖薄外形和強度意味著它可以很好地替代由薄而易碎的塑膠或玻璃切割而成的產品，例如顯示屏。例如，法國公司Woodoo在其木質螢幕中使用了類似的木質素去除工藝，但保留了一點木質素以創造不同的色彩美感。該公司正在為其可回收、觸敏數字顯示器量身定製產品，包括汽車儀表板和廣告牌。
但是，印度瓦拉納西印度理工學院的生物化學工程師普羅迪尤特·達爾說，大多數研究都集中在將透明木材作為一種建築特色，其中窗戶是一種特別有前景的用途。透明木材的隔熱效能遠優於玻璃，因此它可以幫助建築物保持熱量或將其阻擋在外。胡和他的同事還使用了聚乙烯醇或 PVA——一種用於膠水和食品包裝的聚合物——滲透到木材骨架中，使透明木材的導熱率比玻璃低五倍，該團隊在2019年的《先進功能材料》中報告。
研究人員還在提出其他調整方法，以提高木材保持或釋放熱量的能力，這將對節能建築有用。瑞典 RISE 研究機構的材料科學家席琳·蒙塔納裡和她的同事們嘗試了相變材料，這種材料在從固態變為液態或反之亦然時，會在儲存熱量和釋放熱量之間切換。例如，透過摻入聚乙二醇，科學家們發現他們的木材可以在溫暖時儲存熱量，並在冷卻時釋放熱量，他們將這項工作發表在2019年的《ACS 應用材料與介面》上。
因此，透明木窗比傳統玻璃更堅固，並且在溫度控制方面做得更好，但透過它們看到的視野會比較模糊，更類似於磨砂玻璃而不是普通窗戶。然而，如果使用者想要漫射光，這種模糊性可能是一種優勢：由於較厚的木材很堅固，它可能成為部分承重的光源，伯格倫德說，有可能充當為房間提供柔和環境光的天花板。
胡和伯格倫德繼續嘗試賦予透明木材新的特性。大約五年前，伯格倫德和瑞典皇家理工學院以及佐治亞理工學院的同事發現，他們可以模仿智慧窗戶，智慧窗戶可以在透明和有色之間切換，以阻擋視線或陽光。研究人員將一種電致變色聚合物——一種可以透過電力改變顏色的物質——夾在塗有導電電極聚合物的透明木材層之間。這創造了一塊木板，當用戶向其中施加少量電流時，木板會從透明變為品紅色。
最近，這兩個研究小組已將注意力轉移到提高透明木材生產的可持續性上。例如，蒙塔納裡說，用於填充木材支架的樹脂通常是石油衍生的塑膠產品，因此最好避免使用它。作為替代品，她和同事發明瞭一種完全生物基的聚合物，來源於柑橘皮。該團隊首先將丙烯酸和檸檬烯（一種從檸檬和橙子皮中提取的化學物質，存在於精油中）結合在一起。然後，他們用它浸漬脫木素的木材。研究人員在2021年的《先進科學》中報告說，即使使用水果餡料，生物基透明木材也保持了其機械和光學效能，承受的壓力比普通木材高出約30兆帕，透光率約為90%。
與此同時，胡的實驗室最近在《科學進展》上報告了一種更環保的木質素漂白方法，該方法依賴於過氧化氫和紫外線輻射，進一步降低了生產的能源需求。該團隊用過氧化氫刷在厚度約為0.5至3.5毫米的木片上，然後將它們放在紫外線燈前以模擬太陽光線。紫外線漂白了木質素中含有色素的部分，但保留了結構部分完整，從而有助於在木材中保持更多的強度。
達爾和同事在《整體環境科學》中的一項分析表明，這些更環保的方法有助於限制生產中使用的有毒化學物質和化石基聚合物的數量，但就目前而言，玻璃的報廢環境影響仍然低於透明木材。研究人員表示，採用更環保的生產方案和擴大生產規模是將透明木材新增到主流市場的兩個必要步驟，但這需要時間。然而，他們對實現這一目標充滿信心，並相信它作為一種可持續材料的潛力。
“當您試圖實現可持續發展時，您不僅要匹配化石基材料的效能，”蒙塔納裡說。“作為一名科學家，我想超越這一點。”
本文最初發表於Knowable Magazine，這是 Annual Reviews 的一項獨立新聞事業。註冊新聞通訊。