第 232 話：天靈靈、地靈靈、木材給我變透明！（Podcast 已上線）

收聽 Podcast

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。

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！

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！

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