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新技術讓木材變透明

由於木材天然且優秀的機械性能,常被用來當成建築材料,也因類型與地理條件的差異,不同木質材料常常展現出不同的巨觀特性。舉例來說,軟木由於快速成長,會表現出較多的孔洞組織,而硬木一般則有較緻密的組織,且與軟木相比,硬木具有較高的密度,這也是浮木跟沉木的差異
 
 
透明木材放在印刷紙張上。(圖片來源:撰稿團隊)
▲透明木材放在印刷紙張上。(圖片來源:撰稿團隊)
 
由於木材天然且優秀的機械性能,常被用來當成建築材料,也因類型與地理條件的差異,不同木質材料常常展現出不同的巨觀特性。舉例來說,軟木由於快速成長,會表現出較多的孔洞組織,而硬木一般則有較緻密的組織,且與軟木相比,硬木具有較高的密度,這也是浮木跟沉木的差異。雖然在巨觀特性的差異十分顯著,但在顯微結構上卻有驚人的相似度,最明顯的特徵即在木質結構的等向性。木材內部有很多與截面垂直排列的維管束(channel),這些維管束是用來傳輸離子、水分及其他養分,而細胞壁包含了木質素、果膠及纖維素等等,其纖維素、半纖維素(hemicelluloses)及木質素等分層結構的強交互作用,使得木材產生優秀的機械性質。

早在1992年,已有科學家提出透明木材的開發概念,但在當時還無法量產化,因為纖維素及半纖維素雖然是透明無色的,但木質素本身是深色且複雜的結構,在木質孔部會產生大的可見光散射。也因此,木材總是具有不同的顏色分布。直到最近,科學家發明了新方法,可以快速去除木質素的不透明成份,並加上透光高分子材料,才製作出透明木頭。

這項研究的重要意義在於,處理後變得透明的木材本質上仍然是木頭,其絕緣度和硬度超過玻璃,相比塑膠又更容易處理,還具有一些常用透明材料所不具備的獨特光學特性。製作方法如下:

首先,把一段4到5英吋的木頭放進含有氫氧化鈉和亞硫酸鈉的水溶液中,持續沸騰兩個小時,將木質素從木材的細胞壁中溶出。木質素是非常複雜的天然聚合物,對細胞壁的形成非常重要,透過形成交織網來硬化細胞壁,提高剛性與防腐性質。且木質素包圍著管胞、導管、木纖維等纖維束細胞及厚壁細胞外物質,也會使這些細胞具有特定顯色反應。換句話說,木質素一旦脫離木材,木材會立刻轉而變白,而且變軟。

接著,藉著過氧化氫的作用,將木質部氧化,進一步浸出,使木材變得更白。最後,把已褪成白色的木材浸入環氧樹脂中,再將木材置於真空及大氣中交互替換,這個步驟既強化了木材的硬度,也使木材變得透明,其中的原理跟木材本身的物質結構有關,也與環氧樹脂的特性有關。在顏色褪去後,木材的內部結構仍舊保持不變,所以透過浸泡,木材裡用於輸送養分的細小導管即可以把環氧樹脂充分吸收進去,利用環氧樹脂接近光學玻璃的折射率,便能使光線從其中通過,造成透明的效果。

另外,在製作透明木材時,首先須對木材進行切片,一種方式是將木材截切,另一種則是縱切(徑向,沿著維管束方向切)。科學家在實驗後發現,兩種方式都可以將木質部溶出,並讓環氧樹脂成功吸收進木材中,而在透明度方面,若將兩種試片直接放在待測表面上,透明度會十分接近,但若離待測表面一段距離的話,則是縱切的透明度較高。在抗拉能力方面,科學家在試片上,沿維管束方向的兩側同時施加拉力,結果顯示,縱切的抗拉能力是截切的約2倍,而變形能力兩者則接近。不過,與原始木材相比,抗拉及變形能力卻好上了10倍,比起玻璃材料,也強了近4~6倍,且透光程度可達85%以上。

幾乎所有的木材都具有徑向材料的特質,比起玻璃,這種透明木材在受到一般程度擠壓時較不易碎裂。透明木材的用途也很廣泛,除了建作家具外,還能應用在汽車及光電材料上,像是太陽能板、窗戶等。然而,這種新材料在可以實際運用前,還有一段路要走,目前科學家最多只能處理10毫米(mm)厚的小木塊,但若厚度的問題能夠解決,可以預想得到的是,未來,許多的設計應用將會改觀。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播:遇見無所不在的生活科學」執行團隊撰稿)

責任編輯:張尹貞
審校:張惠博

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