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  如今，節(jié)能建筑材料通過實現(xiàn)更好的隔熱，促進有效的太陽光的捕獲和提供舒適的室內(nèi)照明，對于降低室內(nèi)能耗非常重要。近日，馬里蘭大學(xué)帕克分校胡良兵教授團隊發(fā)明了一種新型的可規(guī)模化制備的美學(xué)透明木材（簡稱美學(xué)木材），其具有綜合的優(yōu)異特征：1. 美學(xué)特征--完整的木材紋理；2. 優(yōu)異的光學(xué)性能（平均透射率約為80％，霧度約為93％）；3. 良好的紫外線阻隔能力；4. 低導(dǎo)熱性（0.24 W m^-1K^-1）。此外，美學(xué)木材的快速制備工藝和良好的機械性能（較高的縱向拉伸強度為91.95 MPa，韌性為2.73 MJ m^-3）有利于美學(xué)木材的大規(guī)模制備（320 mm×170 mm×0.6 mm），同時節(jié)省了大量的時間和能量。美學(xué)木材在節(jié)能建筑應(yīng)用中具有巨大潛力，例如玻璃天花板，屋頂，透明裝飾和室內(nèi)面板。

  當(dāng)前制造木材的方法通常基于完整（或幾乎完整）的脫木質(zhì)素工藝，即去除大部分吸光材料（木質(zhì)素和提取物）或去除發(fā)色成分保留木質(zhì)素約80％。但是，加強的化學(xué)處理會嚴重破壞原始的木材結(jié)構(gòu)（例如，細胞壁部分降解，并且生長環(huán)的紋理變得不太明顯）。此外，先前的工作通常集中在形態(tài)和各向異性的光學(xué)，機械和熱學(xué)性質(zhì)的分析與討論，但很少有對于木材中交替出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，天然紋理的美學(xué)以及高效的處理工藝得以實現(xiàn)規(guī)模化制造這些方面的研究。

  因此在這項工作中，胡良兵教授團隊通過選擇性地去除天然木材中的木質(zhì)素來使木材透明并同時保留其天然紋理，從而開發(fā)出一種美學(xué)透明的木材（稱為美學(xué)木材）。這里由于其低密度早材（EW）和高密度晚材（LW）之間具有明顯的結(jié)構(gòu)對比，軟木（例如花旗松）被選擇作為概念驗證。在短短的2小時化學(xué)處理后，天然木材被選擇性地脫除部分木質(zhì)素并且保留其原始的紋理。然后將折射率匹配的環(huán)氧樹脂滲透到納米級框架結(jié)構(gòu)中，以使木材透明并保留原始紋理。這項工作首次提出美學(xué)木材這一新穎概念，其結(jié)合了美學(xué)與光學(xué)透明性，紫外線阻隔性，隔熱性，機械強度等功能。相信這種多功能的美學(xué)木材將在現(xiàn)代綠色建筑中擁有巨大的潛力。

圖1. 美學(xué)木材的制造，微觀結(jié)構(gòu)和外觀。a結(jié)合了木材的周期性（年輪）和各向異性（有序排列的通道）以實現(xiàn)一種新型的透明木材的設(shè)計說明。b示意圖顯示在快速選擇性脫木質(zhì)素和聚合物滲透后，美學(xué)木材-R的制備過程。c，e聚合物填充后的天然木材和致密的美學(xué)木材-R微觀結(jié)構(gòu)的SEM截面圖（EW和LW之間有清晰的邊界）。d，f照片顯示了一塊大尺寸的美學(xué)木材R（86 mm×86 mm×2 mm），具有花旗松的原始紋理以及高的平均透光度（在600 nm處為80％）。

圖2. 美學(xué)木材的形態(tài)和化學(xué)特征. a花旗松的SEM圖像顯示其孔結(jié)構(gòu)。b，c EW和LW的SEM放大圖顯示了微觀結(jié)構(gòu)腔的差異。d有序排列的管飽結(jié)構(gòu)。e天然花旗松中EW和LW的孔徑分布。f在實驗室中（0-10 h）去除木質(zhì)素過程中，木材樣品的顏色和圖案變化的照片比較。g失重行為與脫木素過程的關(guān)系。h 拉曼光譜成像結(jié)合頂點成分分析（VCA）后，天然木材（未經(jīng)處理的參比物）和選擇性脫除木質(zhì)素的EW和LW的細胞壁（CW）成分。i（h）中相應(yīng)的拉曼光譜。

圖3. 美學(xué)木材的可規(guī)模化。a四分之一切片切割示意圖，以獲得具有直線圖案的木單板。b 大型美學(xué)木材-L（展示的樣品尺寸為320 mm×170 mm×0.6 mm）。c填充聚合物后，保留的整個木材微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像。d–e放大的SEM圖像顯示了充滿聚合物的EW和LW。f–g相應(yīng)的細胞壁上有序排列的管道和有序排列的纖維素納米纖維的SEM圖像。h–j所得美學(xué)木材中木細胞的VCA。k對應(yīng)的拉曼光譜。

圖4. 美學(xué)木材的光學(xué)特性和圖案設(shè)計。a所得美學(xué)木材在EW和LW中的透射率（標記為1-8的位置代表EW區(qū)域，而1''-8''的位置代表LW區(qū)域）。b制備的美學(xué)木材表現(xiàn)出的紫外線阻隔性能：在200-400 nm處具有高吸收率，在600 nm處具有高透射率和低反射率。c可以通過堆疊兩層美學(xué)木材來獲得格狀的美學(xué)圖案。

圖5. 美學(xué)木材的導(dǎo)光效果和隔熱性能。a-b示意性的場景顯示了與玻璃天花板相比，通過應(yīng)用美學(xué)木材（在d中縮寫為AW）天花板，建筑物內(nèi)部的光分布和美學(xué)吸引力。c具有沿軸向和徑向的溫度分布的美學(xué)木材的IR圖像。d玻璃，美學(xué)木材（AW）的軸向和徑向的熱導(dǎo)率。

  以上成果近期發(fā)表于Nature Communications (Ruiyu Mi, Chaoji Chen, et al., Nature Communications. 2020）。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-17513-w