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第 232 話:天靈靈、地靈靈、木材給我變透明!(Podcast 已上線)

閱讀時間約 5 分鐘
電影「AKIRA」中的都市景象(Ⓒ大友克洋/東寶)
講到現代化的大都會,大家的第一印象是什麼呢?相信許多人的答案都是「一大群摩天大樓」,不只要有很多大樓,而且還要是散發出洗鍊的現代風格的「玻璃帷幕大樓」。不過世界上的事情「有一好沒兩好」,玻璃帷幕絕佳的透光性讓內部空間變得很明亮,對外視野也給大樓裡居高臨下的菁英人士一種「君臨天下」的爽感,伴隨而來的,是太陽把「光」帶進大樓,同時也把「熱」也帶進來了,夏天時只好把冷氣「催盡磅」(開最大),收到電費帳單時臉就綠了。此外,玻璃脆弱的特性也令人擔憂大樓的強度與壽命,不管再怎麼強化,比起傳統的鋼筋水泥牆壁還是差了一大截。
那有沒有「透光不透熱」而且又「堅固」的材料呢?有啊,就是「木材」!(蛤?)
沒錯,木材的確可以變透明,而且這種技術已經發展一段時間了。只不過,以前把木材變成透明的製程,需要在高溫下進行,而且要使用大量的有毒化學物質,因為耗能與污染,加上高成本,使得「透明的木材」還無法大量生產。
最近科學家突破了這個障礙,用相當簡單的製程,就可以製造出透明的木材:2020年 2 月 6 日加拿大廣播公司報導,美國馬里蘭大學材料科學與工程系的Liangbing Hu教授研究團隊,開發了新的透明木材製程。
木材的主要成分是纖維素以及木質素,木質素中有「發色團」(chromophores)分子,讓木頭呈現出我們看到的顏色。因此讓除去木質素中的發色團是讓木頭變透明的第一步。除去發色團分子之後,就要解決界面穿透的問題:由於組成木材木質素、纖維素與空隙的空氣之間,由於不同材料的折射率不同,材料之間的界面都會發生部分透射、部分反射的現象,每通過一個介質界面,都會降低光線的穿透。
不同尺度下(由上至下提高放大率)看透明木材製程(左至右):把木頭塗上雙氧水後,用陽光(或是紫外線燈)照射,然後灌入環氧樹脂即可(來源:Science Advances)
製程相當簡單:先把木頭塗上雙氧水(過氧化氫 H2O2)後,在陽光下曝曬(或者用紫外線燈也可以)一小時後,就可以除去發色團分子以及「半纖維素」(hemicellulose),將木頭「漂白」變成白色,接下來注入通常用來當作黏膠或固化劑的「環氧樹脂」(epoxy),這個研究所使用的是一家名為「Aeromarine」的公司生產,專用於海洋開發的產品。然後木頭就變透明啦!
這是片透明的玻璃板吧?不,是貨真價實的木材(來源:Science Advance)
為什麼環氧樹脂這麼神奇,灌下去就會讓木頭變透明呢?各位想想看過的「妄想系戀愛喜劇」中常見的橋段:男女主角一起走在放學路上,突然下起了大雨,被淋濕的制服(通常是白色襯衫)突然就變得半透明,之後的劇情發展,就要看這部作品是普通級、輔導級、還是限制級了!(本來想在這裡配個圖的,不過為了避免變成 18 禁,就還是省略好了。)其實這是一個稱為「refractive index matching」的現象(折射率配合),空氣的折射率大約是 1,木質素是 1.61,纖維素是 1.53,所以光線不斷通過「空氣—木質素—空氣—纖維素...」的連續界面,因為每個界面兩邊的折射率相差很大,透射的比率就會降低,將折射率也在 1.5 左右的環氧樹脂取代了空氣之後,木材內所有組成的物質折射率變得相當平均,都在 1.5~1.6 上下,對於光而言,那些會產生反射的界面變得似有似無,加上這些材質也不吸收光,所以光就大部分都透射過去,木頭就變透明了,耶!
回到大家都關心(?)的「衣服變透明」也是一樣的道理,做成衣服的纖維折射率也是在 1.5 上下,乾燥的時候纖維之間的空隙都是空氣,造成多重反射界面所以不透明,但是吸了折射率 1.3 的水以後,折射率變得比較一致,所以就透明了!但是有顏色的布料因為會吸收特定波長的可見光,所以無法全部透射,所以就不會變透明了,殘念(咦不是...)
用這種方式作出來的透明木頭,透光率可以達到 90% 以上,比起玻璃毫不遜色,而且灌入環氧樹脂後進一步補強了結構,所以強度大幅提昇了 44.8 倍之多,當然也比玻璃堅固多了!此外,透明木頭在可見光波段與玻璃不相上下,而在紅外光(熱的主要來源)波段穿透率低於玻璃,因此更能將熱能隔絕,如果拿來當建材的話,比起玻璃帷幕來比較不會那麼熱,可節省空調能源。
透明木頭由於材料強度佳,除了拿來當建材之外,也可以那來當作太陽能板的覆蓋層,特別是在那些環境條件比較嚴苛的地方。
除了各種材料特性的優點以外,還可以做各種「花式加工」,只要在「塗雙氧水」這個階段動手腳即可,沒有刷到雙氧水的部分,就不會變透明,所以可以做出一片「部分看起來是木頭材質、部分像透明玻璃」的窗戶。看起來,藝術家能拿來創作的材質又多了一種!
這個研究用到的,其實就是最基本的光學原理,看到物理學的厲害了吧哈哈哈!
製作「花式木頭玻璃」(來源:Science Advances」)
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加拿大廣播公司新聞(2021/02/06):https://www.cbc.ca/radio/quirks/scientists-develop-transparent-wood-that-is-stronger-and-lighter-than-glass-1.5902739
Science Advances 論文(2021/02/09):https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabd7342
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