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  如今，節能建筑材料通過實現更好的隔熱，促進有效的太陽光的捕獲和提供舒適的室內照明，對于降低室內能耗非常重要。近日，馬里蘭大學帕克分校胡良兵教授團隊發明了一種新型的可規模化制備的美學透明木材（簡稱美學木材），其具有綜合的優異特征：1. 美學特征--完整的木材紋理；2. 優異的光學性能（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. 低導熱性（0.24 W m^-1K^-1）。此外，美學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）有利于美學木材的大規模制備（320 mm×170 mm×0.6 mm），同時節省了大量的時間和能量。美學木材在節能建筑應用中具有巨大潛力，例如玻璃天花板，屋頂，透明裝飾和室內面板。

  當前制造木材的方法通常基于完整（或幾乎完整）的脫木質素工藝，即去除大部分吸光材料（木質素和提取物）或去除發色成分保留木質素約80％。但是，加強的化學處理會嚴重破壞原始的木材結構（例如，細胞壁部分降解，并且生長環的紋理變得不太明顯）。此外，先前的工作通常集中在形態和各向異性的光學，機械和熱學性質的分析與討論，但很少有對于木材中交替出現的結構，天然紋理的美學以及高效的處理工藝得以實現規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素來使木材透明并同時保留其天然紋理，從而開發出一種美學透明的木材（稱為美學木材）。這里由于其低密度早材（EW）和高密度晚材（LW）之間具有明顯的結構對比，軟木（例如花旗松）被選擇作為概念驗證。在短短的2小時化學處理后，天然木材被選擇性地脫除部分木質素并且保留其原始的紋理。然后將折射率匹配的環氧樹脂滲透到納米級框架結構中，以使木材透明并保留原始紋理。這項工作首次提出美學木材這一新穎概念，其結合了美學與光學透明性，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木材將在現代綠色建筑中擁有巨大的潛力。

圖1. 美學木材的制造，微觀結構和外觀。a結合了木材的周期性（年輪）和各向異性（有序排列的通道）以實現一種新型的透明木材的設計說明。b示意圖顯示在快速選擇性脫木質素和聚合物滲透后，美學木材-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木材-R微觀結構的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. 美學木材的形態和化學特征. a花旗松的SEM圖像顯示其孔結構。b，c EW和LW的SEM放大圖顯示了微觀結構腔的差異。d有序排列的管飽結構。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系。h 拉曼光譜成像結合頂點成分分析（VCA）后，天然木材（未經處理的參比物）和選擇性脫除木質素的EW和LW的細胞壁（CW）成分。i（h）中相應的拉曼光譜。

圖3. 美學木材的可規模化。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構的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所得美學木材中木細胞的VCA。k對應的拉曼光譜。

圖4. 美學木材的光學特性和圖案設計。a所得美學木材在EW和LW中的透射率（標記為1-8的位置代表EW區域，而1''-8''的位置代表LW區域）。b制備的美學木材表現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木材來獲得格狀的美學圖案。

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

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

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