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道來源于Fink公司于1992年編寫的木材形態(tài)學(xué)研究。后來，通過將機(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現(xiàn)。在此，瑞典皇家理工學(xué)院Lars Berglund和Min Yan合作，通過木材模板乙酰化的界面操作實現(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)在未來可替代智能窗戶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)能建筑材料對于降低室內(nèi)能耗非常重要，因為它們能夠更好地隔熱、促進(jìn)有效的陽光收集并提供舒適的室內(nèi)照明。在此，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵團(tuán)隊基于空間選擇性脫木素和環(huán)氧樹脂滲透工藝，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)，同時節(jié)省大量時間和精力。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，目前的研究僅限于在實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，對于實際應(yīng)用是理想的。南京林業(yè)大學(xué)Yaoli Zhang團(tuán)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(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，而且制備效率更高，適合大規(guī)模生產(chǎn)。在模擬真實環(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厚時超過85%)、低熱導(dǎo)率(0.23 W m?1 K?1)、良好的承重性能和堅韌的失效行為(無碎裂)，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 透明木材制備過程和在透明木材基底上組裝太陽能電池的示意圖。
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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，對于許多能量轉(zhuǎn)換器件，如薄膜太陽能電池和光電化學(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(tuán)隊通過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的寬波長范圍內(nèi)，顯示出高光學(xué)透射率，同時顯示出高霧度。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。實驗證明，新開發(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)簡單地涂覆GaAs薄膜太陽能電池時，可顯著提高高達(dá)18%的整體能量轉(zhuǎn)換效率。這項對木質(zhì)光管理材料的研究，為未來的發(fā)展提供了一個有吸引力的平臺，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)隊通過用富含量子點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)變過程中，沒有檢測到光學(xué)退化的跡象，表明量子點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)致嵌入量子點的漫射發(fā)光，這對于平面光源和發(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)隊用從木粉中提取的纖維素納米纖維增強(qiáng)了9種基體樹脂，并測量了常規(guī)透光率、拉伸模量和熱膨脹系數(shù)值。為了評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)樹脂的納米復(fù)合材料，示出比使用較高楊氏模量基質(zhì)樹脂更低的熱膨脹系數(shù)值。這項研究實現(xiàn)了非常低的熱膨脹系數(shù)的同時，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(jī)材料進(jìn)行比較。從實驗結(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)射是單個諧振器的整體貢獻(xiàn)。基于這個事實，以及諧振器/光纖的低Q因數(shù)和它們的長度變化，激光發(fā)射的譜線被加寬到幾個納米。
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)性能測量以及透明木材改性和應(yīng)用相關(guān)的問題和挑戰(zhàn)。
圖11 通過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：材料人
