神奇的透明木材,它在景观及建筑上的运用有哪些?

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

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  01. 
透明木材性能优于玻璃
可让房间真正实现冬暖夏凉
木材和玻璃是我们日常生活中应用最多的两种材料,木材常用于制作家具和厨房用具,玻璃则可以用于制作器皿和屏障。
两者都有自己的优势和劣势,木材的优势在于重量轻、便于分割和雕刻,玻璃的优势在于密封性好、拥有透明和隔音等功能。
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而木材的劣势在于寿命较短,不透明,玻璃的劣势在于比较脆弱,容易被击碎。
那么能否研发出综合玻璃和木材两者优点的材料吗?根据外媒报道,近期国外一支研发团队对外宣称已经研发出了一种透明木材,并认为它在不久的未来可能可以取代普通玻璃。
透明木材能实现比玻璃更坚硬、更隔热的功能。其中的木材基体、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,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,这可以让美观木材实现各向异性的热管理性能。
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由于透明木材并非完全透明,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,这种木材也比较环保,玻璃制品需要经过高温,耗能比较大。而这种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。
  02. 
神奇变身
木材是怎样变透明的?
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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
透明木材外形看起来像玻璃,但它的实质是木材和其他化合物。那么透明木材是如何制成的?
透明木材使用的冷杉树本身是不透明的,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。简言之,就是将显色的木质素进行脱离去除。
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研究团队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。
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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。
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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。
  03. 
将木材玩出花样
透明木材的迭代创新
谈到透明木材,就不能不提到一个人:毕业于中国科学技术大学、马里兰大学材料科学与工程学院副教授胡良兵。
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2013年将木头用于钠电池;2016年成功做出透明的木头玻璃窗。后来,木头在胡良兵的手上被玩出了花样。
经他手的木头会变成电解质、水凝胶、海绵、衣服,也会变成Li-CO2电池、锂氧电池、太阳能、超级电容器、电催化的重要部件,创新性与实用性兼具,是名副其实的“木头大王”。
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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)。
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。
  04. 
住宅建筑和功能性装饰材料
透明木材大有用武之地
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透明木材的研究不仅局限于化学成分的调整,制备工艺也在不断优化,其厚度、曲率、树种方面也有了广泛选择,应用领域被不断拓宽。
现有研究多集中在电子设备、光学器件、住宅节能建筑及功能性装饰材料等领域的应用。
随着经济与科技的高速发展,人们开始重视可持续设计在居住环境与住宅建筑的应用,讲究绿色建筑、节能住宅。
2017年,科学家将CsxWO3纳米粒子分散在预聚合的甲基丙烯酸甲酯中,并将上述聚合物填充于脱木质素木模板的纳米孔隙中。
该透明木材展现了优异的近红外(波长为780-2500nm)屏蔽功能。透光率达到86%,雾度达90%的透明木材替代玻璃用作隔热窗的材料既可以提供全天照明,又可以保护隐私,对近红外的屏蔽性有利于降低住宅建筑对空调等能源的损耗,节能减排。
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透明木材制备逐渐由薄木向厚木发展。2019年,科学家提出采用2-5cm厚的半透明木质材料作为房屋模型的墙体材料,期间为了有效地收集阳光,实现室内照明的一致性和均匀性,采用水蒸气脱木质素和环氧树脂浸渍法制备符合材料。
此外,与透明木质屋顶不同,半透明(透光率40%)木质屋顶的房屋模型内部从屋顶到地面的光强度增强。
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透明木材也是一种有益的功能性装饰材料。吴燕等为增强研究的实用性与有效扩展家居装饰材料种类,研究采用多种密度不同但较为常见的树种,通过用折射率匹配的预聚合甲基丙烯酸甲酯直接浸渍木材的细胞腔和细胞间隙来制备透明木材。
在此过程中,保留了木质素,使得透明木材制备过程缩短,更为节能,并且制得的透光木材不仅透光,还保留了天然木材的色泽和纹理,具有创新性。
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2019年,林诗琦等发明高区率透明木材制备技术,先将脱木质素模板浸渍于树脂中,后弯曲塑形,再固化获得一种高区率透光木材。木材的曲面稳定且具有优异的机械性能,透光率可达85%以上,该技术为透明木在功能性装饰材料方面的应用增加了塑形能力。
  05. 
透明木材落地量产将加速
目前,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。
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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。
目前,已经在实验室做出了尺寸为 320mm * 170mm * 0.6mm 的样品。据介绍,美观木材的实验室制备成本很便宜,未来有望大规模制备。
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据了解,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。不过,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,实验室专利已经转移到公司,有望解决量产问题,从而加速落地。
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THE END
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