透明木材是一種多功能木質(zhì)復(fù)合材料，關(guān)于透明木材的第一份報(bào)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(jī)械性能與光學(xué)透射率研究相結(jié)合，提出了透明木材在工程相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。由于在基本木材特性基礎(chǔ)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(shè)備，以及光伏電池和光源等光子設(shè)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(jié)能建筑結(jié)構(gòu)材料。然而，厚的高度透明的木材很難實(shí)現(xiàn)。在此，瑞典皇家理工學(xué)院Lars Berglund和Min Yan合作，通過(guò)木材模板乙酰化的界面操作實(shí)現(xiàn)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(yàn)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(yīng)用這種方法，獲得了一厘米厚的透明木材結(jié)構(gòu)。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(diào)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(jié)構(gòu)的示意圖；（b）非乙酰化透明木材(左)和乙酰化透明木材(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(jié)能建筑的可擴(kuò)展、美觀透明木材如今，節(jié)能建筑材料對(duì)于降低室內(nèi)能耗非常重要，因?yàn)樗鼈兡軌蚋玫馗魺帷⒋龠M(jìn)有效的陽(yáng)光收集并提供舒適的室內(nèi)照明。在此，美國(guó)馬里蘭大學(xué)胡良兵團(tuán)隊(duì)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(dǎo)率(0.24 W m-1K-1)。此外，美觀木材的快速制造工藝和機(jī)械強(qiáng)度(91.95 MPa的高縱向抗拉強(qiáng)度和2.73 MJ m-3的韌性)有利于放大生產(chǎn)規(guī)模(320mm×170mm×0.6mm)，同時(shí)節(jié)省大量時(shí)間和精力。這種美觀的木材在節(jié)能建筑應(yīng)用中有很大的潛力，如玻璃天花板、屋頂、透明裝飾和室內(nèi)面板。
圖3 美觀木材的制作、微觀結(jié)構(gòu)和外觀。
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Scalable aesthetic transparent wood for energy efficient buildings
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17513-w2. ChemSusChem： 節(jié)能建筑用大尺寸透明木材透明木材作為一種節(jié)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?jī)H限于在實(shí)驗(yàn)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(duì)于實(shí)際應(yīng)用是理想的。南京林業(yè)大學(xué)Yaoli Zhang團(tuán)隊(duì)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(xì)胞壁與浸漬的聚合物結(jié)合更緊密，從而提高透光率。與以前報(bào)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(guī)模生產(chǎn)。在模擬真實(shí)環(huán)境下，透明木材樣板房室內(nèi)溫度的可保持性，揭示了纖維基透明木材因其導(dǎo)熱系數(shù)低而表現(xiàn)出的優(yōu)異隔熱性能，在節(jié)約熱能方面顯示出顯著的效益。
圖4 透明纖維木材（a）和傳統(tǒng)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(yīng)用的含納米CsxWO3的透明木材上海大學(xué)Yanfeng Gao團(tuán)隊(duì)將納米粒子分散在預(yù)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(fù)合材料表現(xiàn)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(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，斷裂強(qiáng)度高達(dá)59.8 MPa，模量高達(dá)2.72 GPa。CsxWO3/透明木材有望成為智能窗應(yīng)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(dǎo)率(0.23 W m?1 K?1)、良好的承重性能和堅(jiān)韌的失效行為(無(wú)碎裂)，透明木材成為節(jié)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(xiàng)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(dá)16.8%的功率轉(zhuǎn)換效率。該技術(shù)可為太陽(yáng)能電池與透光木結(jié)構(gòu)建筑的集成鋪平道路，以達(dá)到節(jié)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(fù)合材料高效的寬帶光管理以增強(qiáng)活性層內(nèi)的光俘獲，對(duì)于許多能量轉(zhuǎn)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(xiàng)工作中，美國(guó)馬里蘭大學(xué)胡良兵團(tuán)隊(duì)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(fù)合材料。透明木材在400 nm至1100 nm的寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)，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(dú)特的光學(xué)性能，具有納米纖維素的透明木材復(fù)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(duì)于提高器件工作效率至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)證明，新開(kāi)發(fā)的透明木質(zhì)復(fù)合材料可用作寬范圍的光控制層，并且當(dāng)簡(jiǎn)單地涂覆GaAs薄膜太陽(yáng)能電池時(shí)，可顯著提高高達(dá)18%的整體能量轉(zhuǎn)換效率。這項(xiàng)對(duì)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(tái)，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(zhuǎn)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(tuán)隊(duì)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(jié)合光學(xué)和承載功能的發(fā)光透明木材。在這一轉(zhuǎn)變過(guò)程中，沒(méi)有檢測(cè)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(jié)構(gòu)引入了強(qiáng)散射，導(dǎo)致嵌入量子點(diǎn)的漫射發(fā)光，這對(duì)于平面光源和發(fā)光建筑構(gòu)件或家具是有利的。木材細(xì)胞壁的表面改性將有助于調(diào)節(jié)這種新材料的光散射特性，使其具有更廣泛的應(yīng)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(jī)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(fù)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(jī)發(fā)光二極管(OLED)因其具有吸引人的顯示應(yīng)用特性而受到了廣泛關(guān)注。然而，市售的有機(jī)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(tuán)隊(duì)用從木粉中提取的纖維素納米纖維增強(qiáng)了9種基體樹(shù)脂，并測(cè)量了常規(guī)透光率、拉伸模量和熱膨脹系數(shù)值。為了評(píng)估其作為顯示基板的潛在應(yīng)用，在木材-纖維素納米復(fù)合材料上制備了有機(jī)發(fā)光二極管材料。因此，我們成功地在柔性、低熱膨脹系數(shù)和光學(xué)透明的木質(zhì)纖維素納米復(fù)合材料上嵌入了有機(jī)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(fù)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(shù)值。這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了非常低的熱膨脹系數(shù)的同時(shí)，具有高柔韌性和延展性的納米復(fù)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(fù)合材料的生產(chǎn)可以在商業(yè)規(guī)模上進(jìn)行。
圖9 在柔性、低熱膨脹系數(shù)和光學(xué)透明的木材-纖維素納米復(fù)合材料上的有機(jī)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(jī)染料分子發(fā)射激光瑞典皇家理工學(xué)院Elena Vasileva團(tuán)隊(duì)報(bào)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(jī)材料進(jìn)行比較。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論，染料-透明木材中的光反饋是在纖維素纖維中實(shí)現(xiàn)的，纖維素纖維起著微小光學(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(xiàn)。基于這個(gè)事實(shí)，以及諧振器/光纖的低Q因數(shù)和它們的長(zhǎng)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(jī)遇和挑戰(zhàn)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(jié)構(gòu)應(yīng)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(jī)械性能、低密度、低熱導(dǎo)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(xì)總結(jié)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(cè)量以及透明木材改性和應(yīng)用相關(guān)的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。
圖11 通過(guò)脫木素方法制備透明木材的示意圖。
文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：材料人
