透明木材是一種多功能木質(zhì)復合材料，關(guān)于透明木材的第一份報道來(lái)源于Fink公司于1992年編寫(xiě)的木材形態(tài)學(xué)研究。后來(lái)，通過(guò)將機械性能與光學(xué)透射率研究相結合，提出了透明木材在工程相關(guān)領(lǐng)域的應用。由于在基本木材特性基礎上增加了光學(xué)透射率，透明木材有助于木材解剖學(xué)研究，還可用于透光智能建筑、電子設備，以及光伏電池和光源等光子設備。
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Solar-assisted fabrication of large-scale, patternable transparent wood
https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabd7342.abstract2. J. Mater. Chem. A.: 厘米厚的透明木材透明木材具有高透光率、良好的隔熱性和高韌性，是一種極具吸引力的節能建筑結構材料。然而，厚的高度透明的木材很難實(shí)現。在此，瑞典皇家理工學(xué)院Lars Berglund和Min Yan合作，通過(guò)木材模板乙?；慕缑娌僮鲗?shí)現了高透光率的透明木材(1.5 mm)，具有92%的透光率，接近純聚甲基丙烯酸甲酯(95%)的透光率。實(shí)驗和電磁建模都支持透射率的提高主要是由于界面剝離間隙的消除。通過(guò)應用這種方法，獲得了一厘米厚的透明木材結構。通過(guò)在頂部層壓聚合物分散液晶膜，透明木材可以用作光學(xué)可調窗口的基底。本研究展示的技術(shù)在未來(lái)可替代智能窗戶(hù)和智能建筑中的玻璃。
圖2 （a）改性高透明木材結構的示意圖；（b）非乙?；该髂静?左)和乙?；该髂静?右)。
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Towards centimeter thick transparent wood through interface manipulation
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/TA/C7TA09973H#!divAbstract1. Nat. Commun.: 適用于節能建筑的可擴展、美觀(guān)透明木材如今，節能建筑材料對于降低室內能耗非常重要，因為它們能夠更好地隔熱、促進(jìn)有效的陽(yáng)光收集并提供舒適的室內照明。在此，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵團隊基于空間選擇性脫木素和環(huán)氧樹(shù)脂滲透工藝，展示了一種新穎的可伸縮的美觀(guān)透明木材，具有美學(xué)特征(例如完整的木材圖案)、優(yōu)異的光學(xué)性能(平均透光率約為80%，霧度約為93%)、良好的紫外線(xiàn)阻擋能力和低熱導率(0.24 W m-1K-1)。此外，美觀(guān)木材的快速制造工藝和機械強度(91.95 MPa的高縱向抗拉強度和2.73 MJ m-3的韌性)有利于放大生產(chǎn)規模(320mm×170mm×0.6mm)，同時(shí)節省大量時(shí)間和精力。這種美觀(guān)的木材在節能建筑應用中有很大的潛力，如玻璃天花板、屋頂、透明裝飾和室內面板。
圖3 美觀(guān)木材的制作、微觀(guān)結構和外觀(guān)。
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Scalable aesthetic transparent wood for energy efficient buildings
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17513-w2. ChemSusChem： 節能建筑用大尺寸透明木材透明木材作為一種節能建筑材料，具有高透光率、優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的隔熱性能，極具吸引力。然而，目前的研究?jì)H限于在實(shí)驗室制作小尺寸樣品。一種能夠容易且有效地生產(chǎn)任何尺寸和任何厚度的透明木材的方法，對于實(shí)際應用是理想的。南京林業(yè)大學(xué)Yaoli Zhang團隊提出一種新的制備方法，以木質(zhì)纖維制成的透明木材作為基材，可使細胞壁與浸漬的聚合物結合更緊密，從而提高透光率。與以前報道的方法制備的木材相比，用這種新方法制備的透明木材不僅保留了相同的優(yōu)點(diǎn)，而且制備效率更高，適合大規模生產(chǎn)。在模擬真實(shí)環(huán)境下，透明木材樣板房室內溫度的可保持性，揭示了纖維基透明木材因其導熱系數低而表現出的優(yōu)異隔熱性能，在節約熱能方面顯示出顯著(zhù)的效益。
圖4 透明纖維木材（a）和傳統透明木材（b）的合成方法和照片。
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Large-Size Transparent Wood for Energy-Saving Building Applications
https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cssc.2018018263. J. Mater. Chem. A.: 用于隔熱窗應用的含納米CsxWO3的透明木材上海大學(xué)Yanfeng Gao團隊將納米粒子分散在預聚合的甲基丙烯酸甲酯中，然后填充到脫木質(zhì)素木材的納米孔中，制備透明木材。該木質(zhì)復合材料表現出優(yōu)異的近紅外(NIR，范圍從780到2500 nm)屏蔽能力和高可見(jiàn)光透明度。CsxWO3/透明木材也表現出優(yōu)異的機械性能，斷裂強度高達59.8 MPa，模量高達2.72 GPa。CsxWO3/透明木材有望成為智能窗應用的潛在材料。
圖5 CsxWO3/透明木材的合成路線(xiàn)和樣品圖像。
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Transparent wood containing CsxWO3 nanoparticles for heat-shielding window applications
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/TA/C7TA00261K#!divAbstract1. ACS Sustainable Chem. Eng.:鈣鈦礦太陽(yáng)能電池用光學(xué)透明木質(zhì)基板由于其低密度(ca. 1.2 g cm-3)、高透光率(1 mm厚時(shí)超過(guò)85%)、低熱導率(0.23 W m?1 K?1)、良好的承重性能和堅韌的失效行為(無(wú)碎裂)，透明木材成為節能建筑材料的候選材料。高透光率也使透明木材成為光電器件的候選材料。在這項工作中，瑞典皇家理工學(xué)院Yuanyuan Li和Licheng Sun合作，首次成功地將低溫(< 150℃)處理的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,直接組裝在透明的木質(zhì)基底上,獲得高達16.8%的功率轉換效率。該技術(shù)可為太陽(yáng)能電池與透光木結構建筑的集成鋪平道路，以達到節能的目的。
圖6 透明木材制備過(guò)程和在透明木材基底上組裝太陽(yáng)能電池的示意圖。
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Optically Transparent Wood Substrate for Perovskite Solar Cells
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.8b062482. Nano Energy: 用于太陽(yáng)能電池中高效寬帶光管理的透明和霧狀木質(zhì)復合材料高效的寬帶光管理以增強活性層內的光俘獲，對于許多能量轉換器件，如薄膜太陽(yáng)能電池和光電化學(xué)電池，是至關(guān)重要的。在這項工作中，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵團隊通過(guò)沿自然形成的低彎曲度通道，快速提取木質(zhì)素，然后快速填充聚合物，展示了高度透明的介孔木材復合材料。透明木材在400 nm至1100 nm的寬波長(cháng)范圍內，顯示出高光學(xué)透射率，同時(shí)顯示出高霧度。由于具有這種獨特的光學(xué)性能，具有納米纖維素的透明木材復合材料可用于一系列光電子學(xué)，特別是太陽(yáng)能電池和廣角照明，其中光管理對于提高器件工作效率至關(guān)重要。實(shí)驗證明，新開(kāi)發(fā)的透明木質(zhì)復合材料可用作寬范圍的光控制層，并且當簡(jiǎn)單地涂覆GaAs薄膜太陽(yáng)能電池時(shí)，可顯著(zhù)提高高達18%的整體能量轉換效率。這項對木質(zhì)光管理材料的研究，為未來(lái)的發(fā)展提供了一個(gè)有吸引力的平臺，例如具有高效光管理的綠色一次性光電器件。
圖7 通過(guò)去除木質(zhì)素和隨后的聚合物滲透制造具有高光學(xué)霧度的透明木材的示意圖。
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Transparent and haze wood composites for highly efficient broadband light management in solar cells
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S22112855163014101. Adv. Mater.: 發(fā)光透明木材包含活性熒光材料的功能光轉換層是許多器件中的必要組件。瑞典皇家理工學(xué)院Ilya Sychugov團隊通過(guò)用富含量子點(diǎn)的甲基丙烯酸甲酯滲透木材模板，成功制造了結合光學(xué)和承載功能的發(fā)光透明木材。在這一轉變過(guò)程中，沒(méi)有檢測到光學(xué)退化的跡象，表明量子點(diǎn)與封裝用透明木材基質(zhì)間良好的相容性。木質(zhì)結構引入了強散射，導致嵌入量子點(diǎn)的漫射發(fā)光，這對于平面光源和發(fā)光建筑構件或家具是有利的。木材細胞壁的表面改性將有助于調節這種新材料的光散射特性，使其具有更廣泛的應用前景。
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Luminescent T ransparent Wood
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.2016008342. Compos.Sci.Technol.: 作為柔性有機發(fā)光二極管顯示器基底的光學(xué)透明木材-纖維素納米復合材料光電子技術(shù)的快速發(fā)展使得柔性顯示器成為可能。在這些顯示技術(shù)中，有機發(fā)光二極管(OLED)因其具有吸引人的顯示應用特性而受到了廣泛關(guān)注。然而，市售的有機發(fā)光二極管是在玻璃襯底上制造的。日本京都大學(xué)Yoko Okahisa團隊用從木粉中提取的纖維素納米纖維增強了9種基體樹(shù)脂，并測量了常規透光率、拉伸模量和熱膨脹系數值。為了評估其作為顯示基板的潛在應用，在木材-纖維素納米復合材料上制備了有機發(fā)光二極管材料。因此，我們成功地在柔性、低熱膨脹系數和光學(xué)透明的木質(zhì)纖維素納米復合材料上嵌入了有機發(fā)光二極管。在相同的纖維含量下，使用較低楊氏模量基質(zhì)樹(shù)脂的納米復合材料，示出比使用較高楊氏模量基質(zhì)樹(shù)脂更低的熱膨脹系數值。這項研究實(shí)現了非常低的熱膨脹系數的同時(shí)，具有高柔韌性和延展性的納米復合材料的發(fā)展。此外，由于木材-纖維素是最豐富的生物質(zhì)資源之一，這些納米復合材料的生產(chǎn)可以在商業(yè)規模上進(jìn)行。
圖9 在柔性、低熱膨脹系數和光學(xué)透明的木材-纖維素納米復合材料上的有機發(fā)光二極管的發(fā)光圖片。
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Optically transparent wood–cellulose nanocomposite as a base substrate or flexible organic light-emitting diode displays
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S02663538090016633. Adv. Opt. Mater.：嵌入透明木材中的有機染料分子發(fā)射激光瑞典皇家理工學(xué)院Elena Vasileva團隊報道了一種基于染料羅丹明6G分子嵌入的透明木材的激光發(fā)射研究。將激光發(fā)射性能，與聚甲基丙烯酸甲酯基質(zhì)中含有染料的有機材料進(jìn)行比較。從實(shí)驗結果可以得出結論，染料-透明木材中的光反饋是在纖維素纖維中實(shí)現的，纖維素纖維起著(zhù)微小光學(xué)諧振腔的作用。因此，輸出發(fā)射是單個(gè)諧振器的整體貢獻?；谶@個(gè)事實(shí)，以及諧振器/光纖的低Q因數和它們的長(cháng)度變化，激光發(fā)射的譜線(xiàn)被加寬到幾個(gè)納米。
圖10 （a）化學(xué)處理前的輕木照片；（b）脫木質(zhì)素的木材；（c）透明木材(沒(méi)有染料分子嵌入)。
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Lasing from Organic Dye Molecules Embedded in Transparent Wood
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.2017000571. Adv. Opt. Mater.：光學(xué)透明木材:最新進(jìn)展、機遇和挑戰透明木材是一種新興的承重材料，由天然木材支架改造而成，具有額外的光管理功能。這種材料在建筑和相關(guān)結構應用中顯示出極具前途的性能，包括其可再生和豐富的來(lái)源、有趣的光學(xué)性能、優(yōu)異的機械性能、低密度、低熱導率和多功能化的巨大潛力。瑞典皇家理工學(xué)院Yuanyuan Li等發(fā)布綜述論文，詳細總結了透明木材研究的最新進(jìn)展，討論了與透明木材制備、光學(xué)性能測量以及透明木材改性和應用相關(guān)的問(wèn)題和挑戰。
圖11 通過(guò)脫木素方法制備透明木材的示意圖。
文章轉載自微信公眾號：材料人
