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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。你期待这些“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(zài)一(yī)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(sù)（lignin）的(de)物(wù)质。

为了让木头变透明，研究人员采用(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(men)要(yào)为(wèi)木(mù)头(tóu)去(qù)除(chú)“色(sè)素(sù)”。具(jù)体(tǐ)的(de)做(zuò)法(fǎ)是(shì)，通(tōng)过(guò)化(huà)学(xué)漂(piào)白(bái)或(huò)直(zhí)接(jiē)移(yí)除的方式，把木(mù)质(zhì)素(sù)这(zhè)个(gè)“色(sè)素(sù)胶(jiāo)水(shuǐ)”给(gěi)处(chù)理(lǐ)掉(diào)。

研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)用(yòng)氢(qīng)氧(yǎng)化(huà)钠(nà)等(děng)化(huà)学(xué)品(pǐn)对(duì)木(mù)材(cái)进(jìn)行(xíng)初(chū)步(bù)处(chù)理(lǐ)（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：Advanced Materials）

完(wán)成(chéng)这(zhè)一(yī)步(bù)后(hòu)，木(mù)头(tóu)会(huì)变(biàn)成(chéng)一(yī)个(gè)乳(rǔ)白(bái)色(sè)的(de)、由(yóu)中(zhōng)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(róng)液(yè)中(zhōng)，在(zài)90°C下(xià)蒸(zhēng)煮(zhǔ)48小(xiǎo)时(shí)，去(qù)除(chú)了(le)木(mù)质(zhì)素(sù)，只(zhǐ)留(liú)下(xià)一(yī)个(gè)由(yóu)纤(xiān)维(wéi)素(sù)框(kuāng)架(jià)构(gòu)成(chéng)的(de)白(bái)色(sè)、多(duō)孔(kǒng)的(de)“三(sān)维(wéi)骨(gǔ)架(jià)”。

最(zuì)后(hòu)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)对(duì)其(qí)进(jìn)行(xíng)了(le)深(shēn)度(dù)净(jìng)化(huà)与(yǔ)溶(róng)剂(jì)置(zhì)换(huàn)，在(zài)除(chú)去(qù)先(xiān)前(qián)步(bù)骤(zhòu)所(suǒ)留(liú)下(xià)的(de)化(huà)学(xué)残(cán)留(liú)后(hòu)，利(lì)用(yòng)有(yǒu)机(jī)溶(róng)剂(jì)（如(rú)乙(yǐ)醇(chún)）置(zhì)换(huàn)出(chū)了(le)木(mù)材(cái)微(wēi)孔(kǒng)中(zhōng)的(de)水(shuǐ)分(fēn)。直(zhí)到(dào)木(mù)球(qiú)完(wán)全干(gàn)净(jìng)后(hòu)，他(tā)们(men)又(yòu)利(lì)用(yòng)真(zhēn)空(kōng)箱(xiāng)抽(chōu)真(zhēn)空(kōng)，让(ràng)光(guāng)学(xué)透(tòu)明(míng)的(de)环(huán)氧(yǎng)树(shù)脂(zhī)充(chōng)分(fēn)渗(shèn)入(rù)木(mù)材(cái)的(de)每(měi)一(yī)个(gè)纳(nà)米(mǐ)级(jí)孔(kǒng)隙(xì)，然(rán)后(hòu)通(tōng)过(guò)紫(zǐ)外(wài)线(xiàn)或(huò)加(jiā)热(rè)使(shǐ)树(shù)脂(zhī)固(gù)化(huà)！

通(tōng)过(guò)除(chú)木(mù)质(zhì)素(sù)、深(shēn)度(dù)净(jìng)化(huà)、树(shù)脂(zhī)填(tián)充(chōng)等(děng)工(gōng)艺(yì)，让(ràng)木(mù)头(tóu)“脱(tuō)胎(tāi)换(huàn)骨(gǔ)”（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：林(lín)苑(yuàn)科(kē)普(pǔ)）

最(zuì)终(zhōng)的(de)成(chéng)品(pǐn)，直(zhí)接(jiē)使(shǐ)雾(wù)度(dù)提(tí)升(shēng)至(zhì) 90% 以(yǐ)上(shàng)。用(yòng)激(jī)光(guāng)照(zhào)射(shè)时(shí)，光(guāng)线(xiàn)会(huì)被(bèi)木(mù)头(tóu)内(nèi)部(bù)的(de)无(wú)数(shù)纤(xiān)维(wéi)反(fǎn)复(fù)散(sàn)射(shè)，使(shǐ)整(zhěng)个(gè)木(mù)球(qiú)成(chéng)为(wèi)了(le)一(yī)个(gè)明(míng)亮(liàng)且(qiě)能(néng)均(jūn)匀(yún)发(fā)光(guāng)的(de)“灯(dēng)泡(pào)”。

它(tā)不(bù)需(xū)要(yào)借(jiè)助(zhù)荧(yíng)光(guāng)粉(fěn)来(lái)进(jìn)行(xíng)“光(guāng)转(zhuǎn)换(huàn)”，在(zài)理(lǐ)论(lùn)上(shàng)，能(néng)量(liàng)损(sǔn)耗(hào)会(huì)更(gèng)小(xiǎo)，也(yě)比(bǐ)LED更(gèng)高(gāo)效(xiào)。。未(wèi)来(lái)可(kě)能(néng)被(bèi)应(yīng)用(yòng)在(zài)科(kē)研(yán)探(tàn)索(suǒ)、国(guó)防(fáng)照(zhào)明(míng)等(děng)领(lǐng)域。

新(xīn)材(cái)料(liào)在(zài)理(lǐ)论(lùn)上(shàng)拥(yōng)有(yǒu)更(gèng)高(gāo)的(de)发(fā)光(guāng)效(xiào)率(lǜ)、更(gèng)低(dī)的(de)发(fā)热(rè)量(liàng)（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：林(lín)苑(yuàn)科(kē)普(pǔ)）

更(gèng)“聪(cōng)明(míng)”的(de)木(mù)头(tóu)：会(huì)调(diào)光(guāng)、能(néng)隔(gé)热(rè)

透(tòu)明(míng)木(mù)材(cái)并(bìng)不(bù)仅(jǐn)仅(jǐn)是(shì)简(jiǎn)单(dān)的(de)“玻(bō)璃(lí)替(tì)代(dài)品(pǐn)”，研(yán)究(jiū)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(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)人的童年都有木制玩具作伴（图片来源：维基(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(jiū)者(zhě)们(men)的(de)不(bù)懈(xiè)努(nǔ)力(lì)，木(mù)头(tóu)这(zhè)种(zhǒng)古(gǔ)老(lǎo)的(de)材(cái)料(liào)似(shì)乎(hu)正(zhèng)走(zǒu)出(chū)“冷(lěng)宫(gōng)”，焕(huàn)发(fā)新(xīn)生(shēng)，并(bìng)有(yǒu)望(wàng)重(zhòng)新(xīn)融(róng)入(rù)未(wèi)来(lái)的(de)智(zhì)能(néng)化(huà)生(shēng)活(huó)。它(tā)可(kě)能(néng)会(huì)被(bèi)应(yīng)用(yòng)于(yú)更(gèng)耐(nài)摔(shuāi)的(de)手(shǒu)机(jī)屏(píng)幕(mù)、更(gèng)节(jié)能(néng)的(de)控(kòng)温(wēn)建(jiàn)材(cái)、比(bǐ)LED更(gèng)高(gāo)效(xiào)的(de)新(xīn)型(xíng)光(guāng)源(yuán)……

现(xiàn)代(dài)科(kē)技(jì)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？

欢迎来评论区分享你的故事！

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

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