近日，中南林业科技大学吴义强院士/万才超教授团队，研制出一种多功能紫外屏蔽透明木材，它能阻挡 99.6% 的紫外线，并具有 83.2% 的可见光透射率。
（来源：ACS Nano）中国是全球最大的玻璃生产国，每年钢化玻璃产能在 6 亿平方米左右，产业规模早已达到千亿元规模。
假设这种透明木材能够替代 10% 的传统玻璃，有望实现玻璃产业的重大突破。
此之，这种透明木材还在电子玻璃、光学器件等先进材料领域具有一定的应用潜力，未来该团队也将继续开展相关研究。
图 | 万才超（来源：万才超）
如何平衡“功能性提升”和“透明度下降”？
据万才超介绍，他和课题组长期致力于研究木竹质功能材料，并在木基锌离子电池、油水分离材料、太阳能电池光阳极、轻量化声阻隔材料等领域开展了一些探索性研究。
最近几年，透明木材引起了全球学界的广泛关注。作为一种轻质、高透、强韧的新型透明材料，它非常有潜力取代污染性较强的传统无机玻璃。
然而，要想将透明木材用于实际生活之中，仍有一些问题亟待解决。
例如，目前的透明木材仅由木材框架和树脂等填充物构成，功能还比较单一。
而假如向透明木材中引入功能物质，所得到的多相界面体系往往难以均匀耦合，因此很难同时平衡“功能性提升”的优势和“透明度下降”的缺陷。
（来源：ACS Nano）
高效耦合透明木材的三大性能
在此背景之下，课题组提出一种高压超临界二氧化碳流体辅助浸渍策略。
对于木质素改性的木材模板、强紫外吸收的铈掺杂氧化锌纳米棒、以及高折射率匹配的聚合物来说，上述策略可以让这三者实现高效耦合。
正是在这种高效耦合之下，该团队开发出了这种多功能紫外屏蔽透明木材。
同时，他们还利用超临界二氧化碳流体，针对木材微骨架进行有效精炼。
借此改善异质相之间的界面结合，从而增强木材模板、聚合物、纳米颗粒三者之间的兼容性。
这样一来，不仅可以提高聚合物在透明木材中的渗透率，还能提高纳米粒子在透明木材中的分散性。
从而让透明木材拥有卓越的紫外屏蔽性能、优异的隔热能力、隔音能力和耐腐能力。
凭借这些能力，让这种透明木材得以成为一种极具潜力的绿色建筑候选材料。
假如其能投入实际应用，预计它将不仅可以有效保护室内人员的健康，还能提升建筑的节能环保性能。
（来源：ACS Nano）事实上，早在 2019 年课题组就关注到透明木材存在附加功能不足、木材/聚合物/纳米粒子多相界面的相容性不佳等问题。
此前，他们曾通过控制变量的方法，从原料种类、聚合物浸渍方法、浸渍聚合物种类、原料修饰改性方法、紫外屏蔽活性材料种类和导入方法等角度，尝试解决上述问题。
经过多次尝试之后，他们发现木材在本征结构、处理能耗等方面具有较强优势。
并发现当使用高压超临界二氧化碳流体辅助浸渍策略的时候，能够明显提升聚合物的浸渍率，以及改善多相界面的相容性。
正是这些发现让他们找到了本次课题的锚点，随后该团队逐步开展木材的修饰改性、紫外屏蔽活性材料的筛选制备、木材框架与聚合物/纳米粒子的重组复合、透明木材的性能评价和构-效机制解析等工作。
刘心怡和杨亚东是共同一作，万才超和吴义强担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：ACS Nano）
万才超表示：“刘心怡在研究初期做了大量工作。2020 年，刘同学的妈妈突然联系我，让我劝她放下手头工作，先回家做手术和休养。我这才知道刘同学瞒着我一直带病坚持工作。”
“我劝她时，她才告诉我‘老师，我想把这些研究先做完，我不想中途放弃’。我一直认为身体肯定比事业更重要，但是她这种坚韧的品质和对科学的热爱，让我一直非常动容。”万才超说。后来，刘心怡在修养痊愈之后，返校继续坚持科研。
共同一作杨亚东则主要负责紫外屏蔽性能研究的生物试验。万才超说：“杨同学说当自己初次接触动物实验时，充满了好奇与敬畏，但也伴随着深深的压力。”
每天辐照时间结束时，杨亚东需要将所有小鼠放回培养箱。他原以为这不过是个小小的工作流程，但却给了他带来了不小的挑战。
当杨亚东尝试抓起小鼠时，意外发现它们比想象中更加难以掌控。几只小鼠甚至在他手中挣扎并留下了“小礼物”——尿液瞬间浸湿了他的手掌。
而在解剖小鼠时，尽管杨亚东已做足了心理准备，但当真正面对这些小小的生命时，他表示内心还是涌起一股不适感。
特别是在实施安乐死之后，那种静止的沉默让他感到一种说不出的压抑。
第一次解剖小鼠时，杨亚东连手指都在微微颤抖，生怕自己弄错了步骤。
此外，当小鼠的组织暴露在空气中时，就连血液和器官的细微纹路也变得清晰可见，这让杨亚东不由自主地感到反胃。
那一瞬间，杨亚东甚至有些后悔接手这个实验。尽管如此，他还是极力克服各种不适，顺利完成了上述生物实验，同时这段经历也让他感受到了对于生命的珍视和敬畏。
（来源：ACS Nano）对于作为导师的万才超来说，论文发表和学生成长，都让他感受到沉甸的收获。
不过，他也坦言本次透明木材距离实际应用仍有一些关键瓶颈亟待突破。
首先，目前仍未实现米级紫外屏蔽透明木材的规模化生产。
眼下，课题组已经在实验室范围内实现了分米级透明木材的突破，但是米级功能型透明木材的制备在原材料上依旧存在巨大瓶颈。
其次，对于透明木材在水分、风化、酸碱、温度等环境刺激条件之下的稳定性，仍需要以年为单位的长期实验来验证。
而假如透明木材的结构发生翘曲变形、透明度出现下降、雾度出现上升、紫外屏蔽功能开始劣化等，势必会严重影响透明木材的应用推广。
再次，对于实验室规模研发的透明木材来说，其性能与产业化规模制备的透明木材之间必然存在差异。
因此，需要继续研制和优化产业化技术和设备，同时还要重点关注木材原料的个体差异性。
除了产业化研究之外，在基础研究方面万才超和团队还将继续深入拓展透明木材在光学器件、电子元件等尖端领域的高值利用。
参考资料：1.Yang, Y., Liu, X., Wan, C., Liu, S., Li, X., Zhu, Y., ... & Wu, Y. (2024). Powering the Future Green Buildings：Multifunctional Ultraviolet-Shielding Transparent Wood.ACS Nano, 18(32), 21288-21301.
排版：溪树、刘雅坤
