透明木头问世!“木头大王”胡良兵再发顶刊,已成立公司加速落地

科学
透明木头问世!“木头大王”胡良兵再发顶刊,已成立公司加速落地
麻省理工科技评论 2020-09-06

2020-09-06

未来,透明木头可以成为房子的墙体。
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未来,透明木头可以成为房子的墙体。

木材是人类最古老的建筑材料之一,也是一种绿色节能材料,我们对其外观的认知可谓根深蒂固。如今,随着透明木材的问世,这一观感将被颠覆。

日前,马里兰大学材料科学与工程教授胡良兵团队,在《自然》子刊《自然·通讯》Nature Communications 上,发表论文《用于节能建筑可扩展的美学透明木材》(Scalable aesthetic transparent wood for energy efficient buildings)。

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图 | 胡良兵(来源:受访者)

论文展示了一种美学透明木材(下称“美观木材”),研究中所用的原始木材,是非透明的。研究团队通过去除木材中的吸光成分,并使用复合材料加工工艺,不仅让木头变得透明,还大大提升了力学性能。

DeepTech 联系到胡良兵,并就美观木材的研发,进行了深入交流。

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图 | 美感木材的制作、微观结构和外观(来源:受访者)

据他介绍,为减轻能源消耗和环境污染,开发绿色节能材料迫在眉睫。鉴于木材产量丰富、可再生、成本低等优势,木材及其衍生物,一直被视为优异的绿色节能建筑材料。

本次研发的美观木材,具有重量轻、透光率高、导热系数低、机械强度高等优点。同时,还能有效收集阳光,不仅节能,还能让室内照明更舒适。

在过去,制备类似材料的方法,通常是去除木头中的吸光物质或色素成分,只保留约 80% 的木质素。并利用化学处理,来破坏木材的原始结构,以确保有效的聚合物渗透。

此前的研究,通常集中在木材的光学性能和机械性能上,很少有人讨论木材交替的结构、木材原始的年生长模式的自然美感,以及对木材进行可扩展的制造。

为改善上述现状,本次研究基于天然木材的周期性和各向异性(物质的化学、物理等性质,随着方向的改变而有所变化,并在不同方向上呈现出差异性),展示了两种不同类型的美观木材:(1)与木材平面垂直的微通道类型,称之为美学木材-R);(2)与木材平面平行的微通道类型,称之为美学木材-L。

具体制备中,通过横截面切割方式,从天然木材中获得的美学木材-R,由于早材(EW)和晚材(LW)之间存在明显的微观结构差异,因此可以清晰地看见年轮。在除去木质素后,早材区几乎变成白色,而晚材区保留了部分木质素。

然后,再把环氧树脂填充到木材骨架中,美学木材就可以被制作出来。制造出来的美学木材 R 不仅保留了木纹,且具有很高的平均透明度。

木材如何变透明?

本次研究主要使用冷杉树,木材本身是不透明的,因此去除木材的吸光成分,让木头变得透明是本次研究的关键步骤。

胡良兵表示,他们主要采用亚氯酸钠溶液,在 pH4.6 条件下对原始木材进行化学处理。

天然木材之所以呈现棕褐色,是因为木材中的木质素,有着较强的光线吸收力。

经过化学处理,木质素就能从细胞壁中溶出,发色基团也能被脱除,这时就会暴露出更多的纤维素。与此同时,木材的骨架结构仍能得到保留。

完成上述过程后,该团队使用纤维素折射率相匹配的聚合物,对木材进行浸渍,最终得到透明木材。

该研究的设计理念,主要基于原始木材的早材和晚材、在微观形貌结构上的差异性,即细胞壁薄厚和管腔直径的差异性,这会导致早材和晚材在溶液中,呈现出扩散速率上的不同。

而这种不同,能让研究人员在有一定空间选择性的前提下,脱除掉木材中的木质素。

以自然界中的软木和硬木为例,不同木材种类之间的结构差异,会给最终制备出来的材料,带来的不同美学效果。

如花旗松和松木这样的软木,这类木头的早材和晚材,在形貌、密度和微观结构上,都具有明显差异。最终所得材料,也会呈现出明显的生长纹理,并表现出独特的美学效果。

而对于椴木和轻木这类硬木来说,它主要依靠大导管来输送水分等,其细胞壁厚度相对均匀,且具有双峰状的孔径分布,因此在处理过程中,硬木的早材和晚材,会发生同步反应,最终结果是不会保留明显纹理。

每一块木材的纹理都是天然的,也是独一无二的,尽管依靠木材本身的特性,就可以呈现出美观度,但胡良兵团队还给木头设计了格子图案,这样图案可让木材的美感更具统一性。

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图 | 格子图案设计过程

具体设计时,该团队结合木头的光学特性,通过以不同角度堆叠两块美学木材的方式,来实现各种格子图案。

具体步骤是:选用两块同样具有生长环的美学木材 A 和 B,先固定 A 的纹理方向,把 B 旋转 180° 之后叠加在 A 上,这样就能得到具有格子图案的美学木材。

可让房间真正实现冬暖夏凉

通过上述方式,该团队制备具有可调紫外线阻隔性能的美观木材,据胡良兵介绍,紫外线主要由三个波段 UVA(320-400 nm)、UVB(275-320 nm)和 UVC(200-275 nm)组成,波长越小、则能量越强。

尽管肉眼无法看见紫外线,但它会危害和损坏包括家具和室内显示器在内的许多材料。特别是在夏季,虽然 UVC 被臭氧层过滤,但仍有 3.5% 的 UVB 和 96.5% 的 UVA 到达地球表面。

在本次研究中,该团队经过 2 小时处理时间后,成功制备出在 200-400nm 范围内具有优良紫外线阻隔性能的美学木材,其可以屏蔽几乎 100% 的 UVC 和 UVB 光谱,以及大部分 UVA 光谱。

与此同时,这种美学木材还能实现比玻璃更坚硬、更隔热的功能。

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图 | 美观木材的导光效果和隔热性能(来源:受访者)

关于更坚硬这一性能,胡良兵告诉 DeepTech,美观木材属于一种纳米复合材料,这种材料中的木材基体、和所浸渍的聚合物之间存在强有力的键合,通过两者之间的协同作用,材料的力学性能可以大大提升,韧性高达 2.73 MJ m-3,远超于玻璃的韧性。

关于可隔热的功能,他表示,由于木材基体和聚合物的热导值,均比玻璃的热导值低,并且木材具有各向异性的骨架结构,这可以让美学木材实现各向异性的热管理性能。

由于美观木材尽管具有一定透明度,但它本身也具备高雾度的光学特性,所以能很好地保护用户在室内的隐私。

此外,美观木材也比较环保,玻璃制品需要经过高温,耗能比较大。美观木材主要使用水漂洗,无需经过高温,因此比较节能。未来,该实验室还将研究具有防噪性能的美观木材。

本次研究已经在实验室做出了尺寸为 320mm * 170mm * 0.6mm 的样品。据胡良兵介绍,美观木材的实验室制备成本很便宜,未来有望大规模制备。

胡良兵担任联合创始人的 InventWood 公司,正在对该材料进行产业化。比较常见的应用场景,如机场墙体、博物馆墙壁、玻璃屋顶、以及室内天花板,美观木材可以很好地满足这些场合的美观度要求。

由于隔温性能好,以中国为例,主要适用于温度较冷的东北、或者长期较热的部分南方地区。具体使用时,用于房间的采光面会非常好,因为它既可以当墙,又有很好的透明度,并且比玻璃的机械性能更好。

他举例称,玻璃墙面如果破裂,可能就是整面墙全部破裂。而木头内部全部是条状物,假如掰开木头,它也不会突然断掉。

而位于美国马里兰的 InventWood 公司,一直致力于超级木材的研究,并已经获得当地政府项目的支持。美观木材距离真正应用到公众的生活中,仍需要一定时间。目前,胡良兵实验室的专利已经转移到该公司,正是为了解决量产问题,从而加速落地。

林语堂曾说:“最好的建筑是这样的,我们深处在其中,却不知道自然在那里终了,艺术在那里开始。”

美观木材正是从树林取材,让人足不出户就能感受自然。而大自然本身就是最好的艺术家,只有多使用天然材料,才能更多享受大自然馈赠的天然福利。

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