【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(bō)璃(lí)塑(sù)料(liào)；有(yǒu)的(de)能(néng)抓(zhuā)住(zhù)激(jī)光(guāng)，变(biàn)身(shēn)高(gāo)效(xiào)照(zhào)明(míng)材(cái)料(liào)。从(cóng)透(tòu)明(míng)木(mù)材(cái)到(dào)智(zhì)能(néng)调(diào)光(guāng)建(jiàn)材(cái)，古(gǔ)老(lǎo)木(mù)头(tóu)在(zài)黑(hēi)科(kē)技(jì)加(jiā)持(chí)下(xià)重(zhòng)焕(huàn)生(shēng)机(jī)，有(yǒu)望(wàng)融(róng)入(rù)未(wèi)来(lái)生(shēng)活(huó)。你(nǐ)期(qī)待(dài)这(zhè)些(xiē)“魔改木头”吗？

编者按：在科技迅猛发展的当下，从高精尖设备的研发，到对深海、外太空等极端环境的大胆探索，每一项革新与突破的背后，都离不开新型先进材料的支撑！“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(me)呢(ne)？是(shì)古(gǔ)代(dài)的(de)马(mǎ)车(chē)、建(jiàn)筑(zhù)、弓(gōng)弩(nǔ)……还(hái)是(shì)古(gǔ)朴(pǔ)的(de)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”！有人让木头变得透明和坚韧，使其可以取代玻璃和塑料；另一些，则让它“抓住”了激光，制造出一种全新的照明材料。

看似平平无奇的木头，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……所以相关领域的研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(zì)爆(bào)”（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：央(yāng)广(guǎng)网(wǎng)）

直(zhí)到(dào)大(dà)约(yuē)30年(nián)前(qián)，一(yī)位(wèi)德(dé)国(guó)的(de)植(zhí)物(wù)学(xué)家(jiā)在(zài)研(yán)究(jiū)木(mù)头(tóu)的(de)内(nèi)部(bù)结(jié)构(gòu)时(shí)，意(yì)外(wài)造(zào)出(chū)了(le)“透(tòu)明(míng)木(mù)材(cái)”。此(cǐ)后(hòu)，来(lái)自(zì)中(zhōng)国(guó)林(lín)科(kē)院(yuàn)木(mù)材(cái)工(gōng)业(yè)研(yán)究(jiū)所(suǒ)、瑞(ruì)典(diǎn)皇(huáng)家(jiā)理(lǐ)工(gōng)学(xué)院(yuàn)以(yǐ)及(jí)美(měi)国(guó)马(mǎ)里(lǐ)兰(lán)大(dà)学(xué)的(de)研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)，则(zé)是(shì)通(tōng)过(guò)“实(shí)打(dǎ)实(shí)”的(de)改(gǎi)造(zào)，让(ràng)这(zhè)种(zhǒng)新(xīn)材(cái)料(liào)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”粘合在一起，并赋予木头棕褐色泽的，是一种叫做木质素（lignin）的物质。

为了让木头变透明，研究人员采用了一种两步走的“改造手术”。首先，他们要为木头去除“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几乎相同。当它填满了所有的中空管道，光线就能相对顺畅地穿过木头，从而让木头奇迹般地透明起来！

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、孔隙大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”。

最后，研究人员对其进行了深度净化与溶剂置换，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能控制。而若是向其中植入“相变材料”（通过固液转换来储存和释放热量的材料），则可以令这种透明木头在天热时吸收热量，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生物基聚合物，用以取代石油基树脂，造出更环保的透明木头。

很多人的童年都有木制玩具作伴（图片来源：维基媒体 Gausanchennai）

经过来自世界多国研究者们的不懈努力，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