如今，為減輕能源消耗和環(huán)境污染，開發(fā)綠色節(jié)能材料迫在眉睫。由于木材具有含量豐富、可再生、成本低等優(yōu)勢(shì)，木材及其衍生物被視為一種優(yōu)異的綠色節(jié)能建筑材料。最新開發(fā)的透明木質(zhì)復(fù)合材料具有重量輕、透光率高、導(dǎo)熱系數(shù)低和機(jī)械強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，還可以有效的收集陽(yáng)光，有助于節(jié)能和舒適的室內(nèi)照明。
然而，制造透明木質(zhì)復(fù)合材料的方法一般都是去除大部分吸光材料（木質(zhì)素和提取物）或色素成分，木質(zhì)素只保留約80％。利用密集的化學(xué)處理嚴(yán)重破壞木材的原始結(jié)構(gòu)，以確保有效的聚合物滲透。此外，之前的研究通常集中在光學(xué)、機(jī)械和熱學(xué)性質(zhì)的形態(tài)和各向異性上，很少討論交替的結(jié)構(gòu)、木材原始的年生長(zhǎng)模式的自然美感以及通過(guò)有效過(guò)程進(jìn)行可擴(kuò)展的制造。
近日，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的胡良兵教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型的可擴(kuò)展的美學(xué)透明木材（美學(xué)木材）。該美學(xué)木材基于空間和環(huán)氧樹脂滲透選擇性去木質(zhì)素的過(guò)程，具有綜合的美學(xué)特征（完整的木材圖案等）、出色的光學(xué)性能（平均透射率約為80％，除霧度約為93％）、良好的紫外線屏蔽能力和低導(dǎo)熱性（0.24 W m-1K-1）。此外，該美學(xué)木材的快速制造工藝和機(jī)械強(qiáng)度（高的縱向拉伸強(qiáng)度為91.95 MPa、韌性為2.73 MJ m-3）促進(jìn)了良好的擴(kuò)展能力（320 mm×170 mm×0.6 mm），同時(shí)節(jié)省了大量時(shí)間和能量。因此，該美學(xué)木材在節(jié)能建筑材料（玻璃天花板、屋頂、透明裝飾和室內(nèi)面板等）應(yīng)用中具有巨大潛力。
制造方法
基于天然木材的周期性和各向異性，作者展示了兩種不同的類型：
（1）具有垂直于木材平面對(duì)齊的微通道類型（美學(xué)木材-R）；
（2）具有與木材平面平行的通道類型（美學(xué)木材-L）。
美學(xué)木材不僅有木材的原始美學(xué)，而且還有良好的光學(xué)和機(jī)械性能。通過(guò)橫截面切割天然木材獲得的美學(xué)木材-R，由于早材（EW）和晚材（LW）之間存在明顯的微觀結(jié)構(gòu)差異，因此年輪可見。在空間選擇性除去木質(zhì)素后，EW區(qū)幾乎變成了白色，而LW區(qū)保留了部分木質(zhì)素。在將折射率匹配的聚合物/環(huán)氧樹脂填充到木材骨架中，制備美學(xué)木材。制造的美學(xué)木材-R不僅保留了木紋，而且具有很高的平均透明度（在600 nm處為80％）。
形態(tài)和化學(xué)特征
軟木材通常依靠氣管運(yùn)輸水，如松樹和花旗松。花旗松的中孔結(jié)構(gòu)如圖2a所示，其EW（1.4?2.6 μm）比LW（5?10 μm）更多孔、細(xì)胞壁也更薄。作者利用酸性NaClO2方法的脫去木質(zhì)素，從散裝木材中部分除去有色成分（主要是木質(zhì)素和提取物）。木材宏觀顏色的演變，表明表面存在的有色化合物被清除。處理2 h后，實(shí)現(xiàn)空間選擇性的脫去木質(zhì)素：EW幾乎變成了白色，而LW保持了良好的圖案。其中，重量損失為13.5 wt％。需注意，將LW完全轉(zhuǎn)化為白色需要花費(fèi)更多的時(shí)間，相應(yīng)的重量損失約為?35 wt％。此外，由于EW（284.6 kg?m-3）和LW（846 kg m-3）間存在明顯的密度差，長(zhǎng)時(shí)間處理后不能維持脫去木質(zhì)素后結(jié)構(gòu)的完整性，從而導(dǎo)致較差的機(jī)械性能。
可伸縮性和機(jī)械性能
作者用四分之一切片切割策略構(gòu)建具有直紋的美學(xué)木材-L。利用該工藝使美學(xué)木材-L有出色的結(jié)構(gòu)完整性，而且可以大規(guī)模生產(chǎn)。需注意，在不損害其美學(xué)特征和其它性能下，更厚的美學(xué)木材在建筑應(yīng)用中可以提供更好的承重性能。所獲得的美學(xué)木材-L（厚度為0.6 mm）在600 nm下的總透射率為87％，除霧度為65％。在滲透后，美學(xué)木材沿木材生長(zhǎng)方向顯示出大量對(duì)齊的致密微通道。雖然LW的內(nèi)腔比EW的內(nèi)腔小得多，但它們的密度都很高，同時(shí)相同的通道和孔完全充滿了聚合物（膠水作用）。拉曼光譜成像發(fā)現(xiàn)浸漬聚合物分布在木質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞角（CC）、復(fù)合中間層（CML）、細(xì)胞壁（CW）和內(nèi)腔。根據(jù)拉曼光譜，發(fā)現(xiàn)聚合物很好地滲透到木材細(xì)胞中，與木質(zhì)支架中的纖維素形成了牢固的界面。
光學(xué)特性和圖案設(shè)計(jì)
作者分別在EW和LW區(qū)域選擇了8個(gè)位置，并分別測(cè)量了透射率。LW區(qū)域的透射率（平均68％）低于EW區(qū)域（平均86％），但剩余的圖案僅略微降低了美學(xué)木材在可見光區(qū)的整體平均透射率。在處理2 h后，美學(xué)木材（2 mm厚）能夠屏蔽幾乎100％的UVC（200-275 nm）和UVB（275-320 nm）光譜以及大部分UVA（320-400 nm）光譜。因此，處理后的美學(xué)木材在200-400 nm內(nèi)具有良好的紫外線吸收性能，在600 nm處具有較高的平均透明度（80％），對(duì)可見光的反射率較低。此外，通過(guò)堆疊多層美學(xué)木材可以實(shí)現(xiàn)更多類型的圖案。
隔熱性能
該美學(xué)木材可以在博物館或畫廊中用作圖案天花板，以展示其美學(xué)效果，并有可能替代玻璃天花板。同時(shí)，美學(xué)木材還具有出色的隔熱性能，因此可以提高能源效率。美學(xué)木材在徑向（垂直于木材生長(zhǎng)方向）上顯示出0.24 W m-1?K-1的導(dǎo)熱率，低于在軸向上的導(dǎo)熱率（0.41 W m-1?K-1）。此外，普通窗戶玻璃的各向同性熱導(dǎo)率為1 W m-1?K-1，從隔熱的角度出發(fā)，非常需要美觀的木材。因此，美學(xué)木材結(jié)合了各向異性熱傳輸與低熱導(dǎo)率，對(duì)于節(jié)能建筑十分有利。
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