木头是人类最早使用的材料之一。在很长的历史时期，木材在建筑材料领域一直独霸江湖。虽然木材具有价廉、安全、环保、易加工、可再生等诸多优点，但因为不透光，逐渐被玻璃所取代。现代玻璃制造工业是高能耗、高污染行业。建筑领域大规模使用玻璃，由于其隔热性差，大约有30%左右的制冷、取暖能量通过玻璃窗户消耗掉。再加上玻璃存在价高、易破碎、不易加工等缺点，人们一直想苦苦寻找玻璃的替代品。如何使木头变成“透明”材料，曾经是人类千百年的神奇梦想。
近日，我校郑荣波副教授团队利用化学改性方法，将普通木材变成透明木材，在“透明木材”研究领域取得了重大进展。谈起这一神奇的“魔术”过程，郑老师介绍说，透明木材是一种新的材料，集美观和实用于一体，应用前景看好。经过处理，变得透明的木材在结构上仍然是木头，甚至强度远超过木头，比木头更加坚硬。与此同时，透明木材比玻璃、塑料更容易降解，还具有一些常用透明材料不具备的高雾度、高各向异性等独特光学特性。
将普通木材透明化，不是魔法而是科学
为什么普通木头不透光呢？第一是含有木质素，光被木质素所吸收。第二，木材孔隙率非常大，内部有许多微孔，木材折射率较高，比空气多0.5左右。打个比方，普通纸张由于内部存在微孔结构导致不透明，假如将纸张浸油后，纸张则会变成透明。
如何使普通木材透明化，国内外科学家冥思苦想，一直在进行不懈探索。早在1992年德国科学家Siegfried Fink首次提出“透明木材”研究方案。他们把木材中的“木质素”提取后，填充和木材纤维素折射率匹配的聚合物，抑制光的散射和吸收，从而提高木材的透光率，并用于木材的微观结构测试。
2016年瑞典皇家理工学院瓦伦堡木材科学中心主任Lars Berglund教授首次在实验室制造出了结构型“透明木材”，并进行了功能性研究。同年美国马里兰大学华人科学家胡良兵研究团队，把透明木材做到了和玻璃相似的厚度，所制备的透明木材的透光率达到了80%到90%，机械强度比原木强很多，隔热性是玻璃的3到4倍。经国内媒体报道后，在国内掀起一股透明木材的研究热。
影响“透明木材”产业化发展的制约瓶颈
虽然国内外科学家已成功制造出“透明木材”，但还只是做出小尺寸、毫米厚度的实验室小样。目前，该研究领域亟待解决的难题主要有两个：首先，在第一道“脱木质素”工艺环节，目前普遍利用含氯、硫的沸腾漂白溶液。在此过程中，木材纤维素骨架在沸腾的漂白液中极易破碎，根本无法制备大尺寸、超厚度的透明木材。其次，脱木质素所使用的漂白溶液，由于含有氯、硫等有毒有害元素，极易造成环境污染，后续环保处理非常棘手。因而，寻找大尺寸、超厚度透明木材的可工业化制造的绿色工艺，是该研究领域亟待解决的瓶颈难题。
从中国蒸饺中获得灵感，成功破解了世界级难题
国外“透明木材”研究热刚刚兴起时，郑老师即组织课题组成员密切跟踪文献，紧紧围绕“大尺寸、超厚透明木材”的方向开展研究。首先，课题组经过实验筛选，研制出绿色环保无污染的双氧水体系的漂白液，解决了含氯、硫的漂白溶液污染问题。其次，采用沸腾溶液法脱木质素，容易造成木材纤维骨架破碎。针对这一难题，郑老师受中国蒸饺加工的启发，通过网格将木材与沸腾双氧水溶液隔开，利用双氧水蒸汽的超强渗透力，将木材中的木质素残留量控制在0.8%以下，仅为漂白液热煮法脱木质素的一半，且仍保持木材纤维素骨架的完整性。由于蒸汽法脱木质素工艺，去除木质素的同时，在木材内部产生了丰富的微纳级的多孔结构。这些微纳级的孔道，有利于高分子聚合物渗入填充。通过高聚物的致密填充，有效地抑制了光吸收，消除界面间隙，提高了透光率和机械强度，最终制备出厚达5厘米的透明木砖。
成果受到国际同行们的热议和高度
郑老师的文章在材料学专业老牌杂志《Journal of Materials Research》上发表后，受到国际同行们的热议和高度赞赏。美国材料学会MRS Bulletin的“News”专栏特别撰文，对该成果进行了介绍（Steaming technique makes wood transparent）。美国物理学会网站“Inside Science”也以新闻的形式对此进行了报道（New technique improves transparent wood）。根据Altmetric评分标准，该项成果获得14分的高分，在同期刊全部1398篇文章中排名13，在全世界1270万篇文章中排名为前10%。
瑞典皇家理工学院教授、瓦伦堡木材科学中心主任Lars Berglund（第一位制造出结构型透明木材的科学家）评论认为，“The work is truly novel in that the steam-based approach has not been used before and it potentially offers real advantages”（该成果用于制备透明木材的汽蒸法为首次报道，且优势明显），对该项成果给予极高的评价。
未来，透明木材将成为这些领域的“新宠儿”
透明木材作为新型的功能材料，应用前景非常广阔。与未处理木材相比，透明木材的机械强度增加了3～6倍；与普通玻璃相比，隔热性更高、能进入的光线更多；与普通塑料相比，绿色、可再生。总之，透明木材因其制备工艺简单、原材料易获取、又具有高透光率、高雾度、优异韧性、质轻、较低热导率等一系列优点，如能大规模工业化批量生产，可在节能建筑材料、家居材料、汽车玻璃、太阳能电池板和电子器件等领域具有广泛的应用前景。郑老师说，他研制的大尺寸、超厚透明木材制造新工艺绿色无害，基于其仅玻璃1/3的导热率，符合国家节能减排，产业前景非常广阔。记者采访期间，郑老师向我们展示了用透明木材搭建的简易房屋模型。普通木头搭建的简易模型房子非常暗，而三面墙都用两厘米厚的透明木材搭建的模型采光极好，无论晴天阴天，只要有日出，室内亮度都是普通家用日光灯管的两到三倍，可达到白天基本不用室内照明的效果。加厚到五厘米的“透明木砖”，经测试亮度也可达到预期效果。
继续努力，打通成果转化的“最后一公里”
中国是木材消费大国，透明木材应用前景非常广阔。目前大尺寸、透明木材还只是处于实验室成果阶段，想要实现真正的工业化，尚有很长的路要走。下一步课题组准备联合相关企业，走校企联合之路，尽快使该项技术成果产业化，在企业落地生根，走出一条产业化的道路，尽快将透明木材这种新材料造福人类。
“撸起袖子加油干”才能梦想成真
采访期间，记者看见郑老师办公桌上的几篇文献资料。记者随手翻阅其中有两篇文献，发现上面密密麻麻的用红笔和黑笔做满勾画和注记。看得出来这些资料不知道翻了多少次，同时也能明白研究者为了这一成果付出了多少努力。郑老师说，首先得在最新的研究中进行详细调研，这份前期工作得花大量的时间和精力，很多时候团队成员都要通宵达旦的工作。“习总书记教导我们要‘撸起袖子加油干’，作为一线的科研人员，应该时刻不忘使命和不忘担当。”，郑老师说，“记得有一次，为了测试木材形貌，和学生一起专程坐飞机去了北京。”长期的拼搏探索终于换来研究成果的收获。
采访后记
记者了解到，郑老师博士毕业于中国科学院大学，硕士毕业于中国科技大学，先后师从于钱逸泰院士、唐芳琼研究员，并曾在中科院长春应化所汪尔康院士、董绍俊院士课题组工作多年。多年的科研经历也有了些许心得。他说，作为科研工作者，虽然每个人的工作模式和习惯都不同，但有一点很重要，那就是应该坚守第一线，自己亲手去做。第一手资料应及早掌握，和学生一起工作，这样才能尽早发现问题，有利于大的突破。
平衡工作与生活才是最佳的状态，才能做出更多的贡献。郑老师有两个孩子，虽然研究工作很忙，但还是会抽出时间陪伴家庭，享受生活。在美国农业部林产品实验室访学的时候，一年发了四篇重要科研文章的同时也把美国几乎转了个遍。
以后，科幻大片里的魔幻透明小屋也许就是我们的家，一起期待！
