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【导语】科技浪潮下，新型材料成为创新突破的关键。曾被视为古老、与“万物智联”时代脱节的木头，如今正被科学家“魔改”：有的变得透明坚韧，可替代玻璃塑料；有的能抓住激光，变身高效照明材料。从透明木材到智能调光建材，古老木头在黑科技加持下重焕生机，有望融入未来生活。你期待这(zhè)些(xiē)“魔(mó)改(gǎi)木(mù)头(tóu)”吗(ma)？

编(biān)者(zhě)按(àn)：在(zài)科(kē)技(jì)迅(xùn)猛(měng)发(fā)展(zhǎn)的(de)当(dāng)下(xià)，从(cóng)高(gāo)精(jīng)尖(jiān)设(shè)备(bèi)的(de)研(yán)发(fā)，到(dào)对(duì)深(shēn)海(hǎi)、外(wài)太(tài)空(kōng)等(děng)极(jí)端(duān)环(huán)境(jìng)的(de)大(dà)胆(dǎn)探(tàn)索(suǒ)，每(měi)一(yī)项(xiàng)革(gé)新(xīn)与(yǔ)突(tū)破(pò)的(de)背(bèi)后(hòu)，都(dōu)离(lí)不(bù)开(kāi)新(xīn)型(xíng)先(xiān)进材料的支撑！“逆天改命”新材料系列文章将聚焦那些材料中的“叛逆者”。它们借助科学家们的巧妙设计以及前沿技术的加持，彻底改写了自身的一些固有特性，从而打破命运的枷锁，以全新的姿态，肩负起推动人类文明迈向未来的重任！

提起用木头造的东西，大家会立刻想到什么呢？是古代的马车、建筑、弓弩……还是古朴的木制家具和实体书本？

在很多人的印象里，木头都是一种逐渐淡出主流视野的古老材料，它似乎与日益逼近的“万物智联”的时代格格不入。

至于什么才是现代生活的代表性材料？玻璃、塑料以及各种高性能合金或许都是更受大众认可的答案。

透明木头上保留的若隐若现的木纹能增加美感（图片来源：马里兰大学帕克分校 Hu的团队）

然而，这个情况可能就要改变了。一些科学家正试图通过“魔改”木头，来为它“逆天改命”！有人让木(mù)头(tóu)变(biàn)得(de)透(tòu)明(míng)和(hé)坚(jiān)韧(rèn)，使(shǐ)其(qí)可(kě)以(yǐ)取(qǔ)代(dài)玻(bō)璃(lí)和(hé)塑(sù)料(liào)；另(lìng)一(yī)些(xiē)，则(zé)让(ràng)它(tā)“抓(zhuā)住(zhù)”了(le)激(jī)光(guāng)，制(zhì)造(zào)出(chū)一(yī)种(zhǒng)全新(xīn)的(de)照(zhào)明(míng)材(cái)料(liào)。

看(kàn)似(shì)平平无奇的木头，似乎正要改写未来材料科学的格局。

古老材料焕发“第二春”

你知道吗？木头曾是人类文明中泛用性最强的材料。在农耕、军事、建筑、文化等领域，都发挥着不可替代的作用！小到农具、家具和书册，大到战车、宫殿、巨型器械……都少不了它的身影。

甚至于在二战时，大量采用木制材料制作而成的“蚊”式轻型轰炸机仍可以凭借其优良的性能，与同时代的诸多“金属对手”较量。

二战时的木制“蚊式”轰炸机，因为性能优良被誉为“木头奇迹”（图片来源：维基媒体 Chris Woodrich）

然而后来，随着越来越多高分子材料的“崛起”，木头逐渐“失宠”。与此同时，一些被广泛应用的现代材料，其实也存在不少缺点。

比如，玻璃虽然透光性好、耐磨、化学性质稳定，但其抗冲击能力较弱，一旦碎裂还可能带来安全隐患。

经过强化的“钢化玻璃”或“防弹玻璃”则要么因其在结构上的缺陷，而存在“自爆”风险，要么成本过高、重量过大……所以相关领(lǐng)域的(de)研(yán)究人员一直希望能找到性能更优的替代材料。

钢化玻璃依靠制造“应力差异”提升强度，却可能在特定条件下“自爆”（图片来源：央广网）

直到大约30年前，一位德国的植物学家在研究木头的内部结构时，意外造出了“透明木材”。此后，来自中国林科院木材工业研究所、瑞典皇家理工学院以及美国马里兰大学的研究团队，则是通过“实打实”的改造，让这种新材料逐渐走向了应用舞台。

两步走的“魔改”手术

木头是由无数个微小的中空管道（细胞）组成的，像一把紧紧捆绑在一起的吸管。而将这些“吸管”粘合在一(yī)起(qǐ)，并(bìng)赋(fù)予(yǔ)木(mù)头(tóu)棕(zōng)褐(hè)色(sè)泽(zé)的(de)，是(shì)一(yī)种(zhǒng)叫(jiào)做(zuò)木(mù)质(zhì)素(sù)（lignin）的(de)物(wù)质(zhì)。

为(wèi)了(le)让(ràng)木(mù)头(tóu)变(biàn)透(tòu)明(míng)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)采用(yòng)了(le)一(yī)种(zhǒng)两(liǎng)步(bù)走(zǒu)的(de)“改(gǎi)造(zào)手(shǒu)术(shù)”。首(shǒu)先(xiān)，他(tā)们要为木头去除“色素”。具体的做法是，通过化学漂白或直接移除的方式，把木质素这个“色素胶水”给处理掉。

研究人员用氢氧化钠等化学品对木材进行初步处理（图片来源：Advanced Materials）

完成这一步后，木头会变成一个乳白色的、由中空细胞构成的“骨架”。在这之后，研究人员需要向其中填充“透明胶”。

被移除了木质素的木头骨架依然是不透明的，因为它内部中空的细胞内充满了空气。光线在穿过细胞壁和空气时，会因为“折射率”的不同而发生散射，所以我们看到的会是一片模糊的白色。

为了解决这个问题，研究人员会向这个骨架中，注入一种特殊的环氧树脂。这种树脂的折射率，与木头细胞壁的折射率(lǜ)几(jǐ)乎(hu)相(xiāng)同(tóng)。当(dāng)它(tā)填(tián)满(mǎn)了(le)所(suǒ)有(yǒu)的(de)中(zhōng)空(kōng)管(guǎn)道(dào)，光(guāng)线(xiàn)就(jiù)能(néng)相(xiāng)对(duì)顺(shùn)畅(chàng)地(de)穿(chuān)过(guò)木(mù)头(tóu)，从(cóng)而(ér)让(ràng)木(mù)头(tóu)奇(qí)迹(jī)般(bān)地(de)透(tòu)明(míng)起(qǐ)来(lái)！

为了让成品“透明木头”的透光率足够高，它的厚度必须足够薄，通常不到1毫米，也有团队因为应用方面的需要，在尝试制作接近厘米级的成品。

尽管厚度有限，但木头中由细胞所形成的坚固蜂窝结构依然可以保证足够的强度！不要小看这种微小的木纤维，它的强度甚至可以与最优质的碳纤维媲美。

研究人员表示，加上树脂后，透明木材在诸多性能指标上超过了塑料和玻璃，它坚韧无比，难以被摔碎，在抗压、抗冲击等的性能测试中，透明木材比透明塑料（如有机玻璃）强约三倍，其韧性比玻璃高约十倍。

处理前后的“木头”透光性对比（图片来源：Advanced Materials）

研究“瓶颈”激发灵感，造出新光源

“透明玻璃”若被造得太厚，则可能导致在其中散射的光线过多，从而影响整体透光率。此外，如果填充材料的光折射率与细胞壁的匹配度不够，也会对透光造成负面影响。

因此，就有人开始考虑，既然将木材做得完全透明如此困难，不如干脆换个思路！

中国林科院木材工业研究所的唐启恒团队于是不再寻求去消除“魔改木头”中的“雾”。相反，他们要想办法加强它，利用它！

团队经过对比，选取了细胞壁薄、孔隙(xì)大(dà)的轻木作为基础材料，并将其加工为圆球，使其可以自然、均匀地向四面八方散射光线。

接着，研究人员将木球置于亚氯酸钠溶液中，在90°C下蒸煮48小时，去除了木质素，只留下一个由纤维素框架构成的白色、多孔的“三维骨架”。

最(zuì)后(hòu)，研究人员对其进行了深度净化与溶(róng)剂(jì)置(zhì)换，在除去先前步骤所留下的化学残留后，利用有机溶剂（如乙醇）置换出了木材微孔中的水分。直到木球完全干净后，他们又利用真空箱抽真空，让光学透明的环氧树脂充分渗入木材的每一个纳米级孔隙，然后通过紫外线或加热使树脂固化！

通过除木质素、深度净化、树脂填充等工艺，让木头“脱胎换骨”（图片来源：林苑科普）

最终的成品，直接使雾度提升至 90% 以上。用激光照射时，光线会被木头内部的无数纤维反复散射，使整个木球成为了一个明亮且能均匀发光的“灯泡”。

它不需要借助荧光粉来进行“光转换”，在理论上，能量损耗会更小，也比LED更高效。。未来可能被应用在科研探索、国防照明等领域。

新材料在理论上拥有更高的发光效率、更低的发热量（图片来源：林苑科普）

更“聪明”的木头：会调光、能隔热

透明木材并不仅仅是简单的“玻璃替代品”，研究人员看重其高强度、高韧性、隔热性良好的特点，正在积极拓展透明木头的应用前景。

首先，在如今这个智能设备无处不在的时代，这种材料很适合被用在触摸屏上。事实上已经有商业公司在开发用于汽车仪表盘、广告牌等产品的触摸感应式木质屏幕了。

其次，在建筑装饰领域，比如天花板、智能窗等的制造中，半透明的木材也是一种极为理想的材料。它可以让建筑内的光线变得柔和、均匀。

通过植入在通电后会变色的“电致变色聚合物”，研究人员还可以实现对透明木头透光性的智(zhì)能(néng)控(kòng)制(zhì)。而(ér)若(ruò)是(shì)向(xiàng)其(qí)中(zhōng)植(zhí)入(rù)“相(xiāng)变(biàn)材(cái)料(liào)”（通(tōng)过(guò)固(gù)液(yè)转(zhuǎn)换(huàn)来(lái)储(chǔ)存(cún)和(hé)释(shì)放(fàng)热(rè)量(liàng)的(de)材(cái)料(liào)），则(zé)可(kě)以(yǐ)令(lìng)这(zhè)种(zhǒng)透(tòu)明(míng)木(mù)头(tóu)在(zài)天(tiān)热时吸收热量，天冷时再释放出来，实现对室内环境的“温度调控”。

最后，也有一部分研究人员试图利用从柠檬皮、橙皮里提取出的成分来合成(chéng)生(shēng)物(wù)基(jī)聚(jù)合(hé)物(wù)，用(yòng)以(yǐ)取(qǔ)代(dài)石(shí)油(yóu)基(jī)树(shù)脂(zhī)，造(zào)出(chū)更(gèng)环(huán)保(bǎo)的(de)透(tòu)明(míng)木(mù)头(tóu)。

很(hěn)多(duō)人(rén)的(de)童(tóng)年(nián)都(dōu)有(yǒu)木(mù)制(zhì)玩(wán)具(jù)作(zuò)伴(bàn)（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：维(wéi)基(jī)媒(méi)体(tǐ) Gausanchennai）

经(jīng)过(guò)来(lái)自(zì)世(shì)界(jiè)多(duō)国(guó)研(yán)究者们的不懈努力，木头这种古老的材料似乎正走出“冷宫”，焕发新生，并有望重新融入未来的智能化生活。它可能会被应用于更耐摔的手机屏幕、更节能的控温建材、比LED更高效的新型光源……

现代科技的发展似乎总呈现“螺旋式”的循环，那些曾被“边缘化”的昔日主流材料，终将在黑科技的加持下，以一种更惊艳的姿态重新归来！

你期待这些“魔改木头”走入日常生活吗？你小时候有过哪些珍爱的木质物件？你或你的长辈们又是否对木制家具，有着特殊的情怀与青睐呢？

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作者：宋世超
审核：刘颖 张超 李培元 杨柳
审核专家：徐驰 北京师范大学物理与天文学院 副教授