导读
2020年9月11日，习近平总书记在科学家座谈会上对我国科技创新作出坚持“面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康”的战略部署，为科技创新指明方向。要求我国广大科技工作者肩负起时代赋予的重任，努力实现高水平科技自立自强。在“双碳”目标提出一周年后，2021年10月24日，中共中央、国务院印发的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，要求以经济社会发展全面绿色转型为引领，坚定不移走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路，确保如期实现碳达峰、碳中和。
木材是天然绿色环保材料，是构建人与自然生命共同体的重要途径。木材在生长过程中通过光合作用的方式吸收着二氧化碳并贮存起来，形成巨大的碳库，在助力实现“双碳”目标方面，具有先天优势。因此，在“双碳”战略指引下，木材科学如何为推动“四个面向”提供智力支持，值得深思。
01、透明木材的发展历程
透明木材，是在木材科学和材料科学基础上交叉孕育发展起来的一种颠覆性创新的木质复合材料。作为一种科技前沿材料，透明木材拓展了人类对木材认知的边界，为木材创新驱动发展的源头提供支撑，意义重大。透明木材的制造主要经过两个步骤：（I）将木质素中吸收可见光的发色基团（或者全部木质素）以及抽提物从木材中脱除掉，得到只含有纤维素和半纤维素的白色木材骨架；（II）将折射率与纤维素相接近的树脂通过真空辅助方式渗入木材骨架中，取代空气，减弱可见光在界面处的强烈散射，树脂固化后得到高透光率的透明木材。
透明木材（背景是中国林科院木材工业研究所）
作为新型的颠覆性材料，透明木材不仅继承木材绿色低碳的先天优势，还具有高达90%的透光率，雾度在35-90%范围内可调、刚柔结构可控、导热系数低至0.3 W/(m·K)左右、韧性好等优良特性，拓展木材在光电子、汽车、建筑节能、照明、设计等高附加值领域应用潜力，为“四个面向”贡献木材智慧。
早在1992年，透明木材就已经被德国研究人员Fink提出来了，但仅仅用来观察木材的结构。直到2016年，瑞典皇家理工学院和美国马里兰大学科研人员分别将树脂渗入脱除木质素的轻木中，固化之后制备得到真正意义上的透明木材。在此后的几年时间里，国内外的许多研究人员对透明木材进行大量的研究，将其应用于人造电子皮肤、柔性光电子器件、太阳能电池、建筑窗户、美学设计、照明等领域。然而，这个阶段研制的透明木材尺寸较小，幅面只有厘米级、分米级尺度，主要用于进行科学研究，成果以科技论文的形式呈现，与真正实现工业化生产的距离较远。这主要是由于木材在脱色过程中涉及到木质素分解，当木材的幅面较大时，容易导致脱色的木材骨架发生崩解、开裂，导致无法制备出大幅面透明木材。
02、米级透明木材的成功研制
2021年12月，中国林业科学研究院木材工业研究所唐启恒副研究员通过“细胞壁结构开松、分子链定向解聚”的策略成功地抑制脱色木材骨架崩解、不开裂，维持脱色木材在大幅面尺度下不开裂，再利用“毛细管作用+真空辅助”的办法成功制备出1米长度的透明木材，进一步推动了该材料的工业化进程，使人们看到透明木材实际应用的曙光。当前国外制备透明木材通常采用轻木为原材料，轻木虽然具有天然的优势，但这种木材主要盛产美洲，在我国产量不大。人工林速生木材是我国重要的树种，生长快、产量高，如果能将速生木材用来制备透明木材，将其应用到更高附加值的领域中，对我国木材产业的发展将具有重要的里程碑意义。该研究小组于2016年开始采用各种人工林速生木材、竹材为原料研制透明木（竹）材，并于2018年就提出“柔性透明木材”的概念，并持续对透明木（竹）类材料开展大量研究，研制出25秒超快速固化透明木（竹）材、大幅面透明木（竹）材、高强度透明木（竹）材、量子点发光透明木（竹）材、超薄透明木材、超柔性透明木材等一系列新型木基复合材料，获得多项国家授权发明专利。
03、透明木材应用领域探索
3.1光电子领域
透明木材可通过调整内部高分子树脂的种类或树脂与木材细胞壁界面间隙，研制出透光率高、雾度大的材料，将其应用于太阳能电池表层，有助于吸收更多的太阳光，从而提高太阳能电池光电转换效率。此外，透明木材质地刚柔可控，还可以将其透光率高、雾度小的透明木材应用于可穿戴柔性显示屏、柔性透明电极等光电子领域中，从而促进光电子领域绿色低碳发展。
3.2汽车领域
汽车的天窗采用玻璃制造，玻璃虽然透光率好，但是导热系数高达1.0 W/(m·K)左右，是导致车内温度高的一个重要因素。透明木材因细胞壁与树脂间形成多尺度微纳孔隙结构，具有良好的隔热效果，导热系数约为0.3 W/(m·K)，约为玻璃的三分之一，从而有利于隔绝外部热量，有望替代玻璃应用于汽车天窗，助力汽车行业的绿色发展。
3.3建筑节能领域
建筑能耗是世界上能耗最高的领域，绿色低碳是建筑行业未来发展的重要方向。玻璃是建筑窗户最常用的材料，但是玻璃易于传导热量，使建筑产生较高的制冷能耗。透明木材具有较低导热系数和较好韧性，受到撞击不像玻璃一样裂成碎片伤人，有望将其替代玻璃应用于建筑顶棚、遮阳等区域，降低建筑能耗，促进绿色节能建筑的发展。
3.4照明设计领域
透明木材具有雾度可调特性，光线透过后可向四周散射，大大拓宽光照面积，因此可将高雾度透明木材应用于照明灯罩、广告牌等高散射领域；此外，木材因其自身纹理特性，例如松木早晚材颜色差异，可开发出纹理透明木材，应用于灯光照明设计领域。
04、透明木材未来发展建议
新材料产业是我国七大战略新兴产业之一，是整个制造业转型升级的产业基础。作为高度交叉融合的颠覆性新材料，透明木材如何在面向科学技术前沿高速发展的基础上继续乘势而上？“双碳”国家战略的提出，则带来绝佳的历史发展机遇。
4.1坚持政策引导主体地位
国家、地方、企业等全方位强化绿色低碳技术科技攻关和创新应用，加大对透明木材科技项目支持力度，依托重大工程开展透明木材科技创新、集中力量攻克关键性和前瞻性技术难题。鼓励加强共性基础技术研究，加强宣传引导，力争在透明木材先进适用技术方面取得突破。
4.2坚持人才引领战略地位
透明木材作为颠覆性、前沿性材料，其未来的发展关键在于人才支撑，要坚持创新是第一动力、人才是第一资源，确立人才引领发展的战略地位，发挥重大人才工程牵引作用，聚焦核心关键技术研发，打造大批一流的透明木材科技领军人才和创新团队。
4.3坚持创新体制建立
依托科研院所、高校和企业建立透明木材技术创新联盟，加快建立产学研用有效结合机制，孵化透明木材核心技术，形成技术研发、示范应用和产业化联动机制，鼓励利用国家经费、创新投资基金参与，加快推动透明木材技术进步，善于应用案例讲好透明木材助力“四个面向”和“双碳”的故事。
来源：木石塑复合材料及制品国家创新联盟
通讯员：唐启恒
