《Applied Materials Today》：Transparent wood for a bio-based future: A critical review
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可持续材料设计与性能优化：透明木材通过结构优化和化学改性实现高性能，其规模化生产与光学-力学平衡仍是关键挑战。
弗朗切斯卡·古洛（Francesca Gullo）| 马西莫·梅索里（Massimo Messori）| 保拉·帕尔梅罗（Paola Palmero）
都灵理工大学应用科学与技术系（DISAT），Abruzzi公爵路24号，都灵10129，意大利
引言
随着全球向可再生资源和循环经济转型的加速，木材再次成为可持续设计和实用材料工程的关键要素[[1], [2], [3]]。除了作为结构和美学材料的长期用途外，木材还被视为一种高性能的生物复合材料平台，它结合了层次化的多孔结构、各向异性的组织特性以及机械强度，并且天然丰富，同时作为一种净负碳的生物复合材料[[4], [5], [6]]。木材复杂的、多尺度的结构主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，这种结构具有低密度和高强度的特点，同时其天然的微通道结构可以进一步设计以实现新的物理功能[[7,8]]。
由于木质素对光的强吸收以及在空气-细胞壁界面处的强烈散射（这是由于折射率不匹配造成的），原始木材在光学上是不透明的[[6]]。改变这一光学特性推动了木材科学中最具创新性的发展之一：透明木材（Transparent Wood, TW）的诞生。透明木材最初由芬克（Fink）提出[[9]]，随后李（Li）等人[[10]]和朱（Zhu）等人[[6]]对其进行了改进。这种复合材料融合了受自然界启发的设计与材料工程理念，将木材的各向异性结构与透光聚合物结合在一起，从而创造出一种强度高、重量轻且部分透明的材料。
在更广泛的背景下，透明木材可以被视为一种工程木材，这类材料通过结构和化学改性来获得定制的机械、光学或功能特性[[11]]。工程木材包括层压木材、交叉层压木材、致密化木材或化学改性木材，其中透明木材是一个典型的例子——通过脱木质化和聚合物渗透，实现了多功能和高性能的复合效果[[12], [13]]。
自这些开创性工作以来，该领域取得了显著进展，开发出了多种制备白色木材模板和实现树脂渗透的方法。早期研究依赖于使用亚氯酸钠或过氧乙酸进行完全脱木质化[[10,14]]，而最近的方法则探索了选择性漂白或木质素改性策略，这些方法在减少颜色和吸收的同时保持了木材的机械完整性[[15]]。基于过氧化氢的碱性氧化等创新处理方式进一步降低了环境影响和加工时间，为大规模生产提供了有希望的途径[[16,17]]。
与这些模板制备方法的发展并行的是，人们对聚合物基体的选择和细胞壁的功能化也越来越关注。传统的聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和环氧树脂，提供了有效的光学匹配和结构增强[[6], [10]]。然而，由于它们的化石来源以及与亲水性纤维素的兼容性较差，人们开始寻找替代配方。最近的研究比较了不同聚合物在粘度、折射率和界面兼容性方面的表现[[18], [19]]，强调了低粘度系统的重要性，因为这些系统能够实现深度渗透而不导致结构崩溃。在这种情况下，基于生物的基体，如聚柠檬烯丙烯酸酯（PLIMA）和改性纤维素树脂，已成为开发完全可再生透明木材复合材料的可持续候选材料[[20,21]]。
除了聚合物的选择外，对木材骨架的功能化也成为调节光学行为的有效策略[[7,14]]。表面改性和偶联剂可以增强界面润湿性，改善折射率匹配，并引入新的光学响应。由此产生的材料展现出广泛的可调雾度范围，从适合透明建筑玻璃的低雾度系统到优化日光透过或太阳能收集的高雾度复合材料[[22], [23]]。此外，通过加入无机或发光物质（如用于近红外屏蔽的Cs?WO?纳米粒子、用于光致发光的量子点或用于温度依赖性透明性的相变材料），透明木材的功能范围得到了扩展，使其能够应用于智能玻璃和能源适应性材料[[24], [25], [26]]。
尽管取得了这些进展，透明木材的研究仍面临许多挑战。均匀的树脂渗透、加工时间以及厚样品中机械完整性的保持仍然是主要瓶颈。即使通过功能化改善了木材与树脂的兼容性，厚透明木材面板（>5毫米）通常仍表现出高雾度和低透射率[[7,14]]。此外，大多数工艺仍停留在实验室规模，对工业可重复性和成本效益的考虑有限。解决这些问题需要改进渗透工程、开发可扩展的化学处理方法，并整合在线质量控制机制，以确保光学和机械性能的可重复性。
在这篇综述中，我们旨在提供一个全面而批判性的视角，涵盖从材料基础到应用和可扩展性的整个发展链条。从木材结构和各向异性出发，系统地探讨了模板制备策略（脱木质化和选择性漂白）、细胞壁改性方法以及聚合物渗透途径，并明确将这些加工选择与透明木材复合材料的最终光学和机械性能联系起来。特别强调了微观结构参数（如纤维素体积分数、木质素保留量、细胞壁可及性和界面设计）如何控制光散射、透射率、雾度和机械完整性。虽然之前的综述已经提供了关于透明木材制备方法、功能化策略和新兴应用的广泛概述，但本文将光学性能视为一个由结构驱动和可设计的属性，而不仅仅是次要结果[[27], [28], [29]]。通过将加工引起的微观结构特征与光-物质相互作用明确关联起来，本文强调了如何通过可控的模板改性和界面设计合理地调节透射率和雾度。此外，除了过程导向或化学导向的视角外，本文还将透明木材视为一个光学工程化的复合系统，特别关注其可扩展性、可重复性和工业相关性。
图1总结了新兴的应用场景，包括热响应玻璃、紫外线和近红外阻挡材料、光伏集成以及光管理设备，并展示了从2016年至今在这些领域的发展时间线。通过将这些元素联系起来，本文为理解透明木材提供了一个批判性的框架，不仅仅将其视为一个实验原型，而是一个具有工业实施潜力和可持续设计潜力的可调多功能材料平台。
木材结构和性质
要理解如何从单一天然前体中工程化出如此多样的功能，首先必须研究木材的结构和内在性质，即控制其光学行为、机械响应以及与渗透聚合物相互作用的分层各向异性结构。
木材因其固有的可持续性、低环境影响以及固碳和固定重金属的能力，为工程应用提供了出色的平台。
木材改性策略
在制备透明木材的过程中，应首先处理木质素，因为它是导致木材呈现棕色的主要成分[[85]]。这种聚合物具有复杂的共轭芳香结构，能够吸收大约80-90%的可见光。其余两种主要成分是无色的，但由于光散射现象而呈现白色[[6], [86]]。木材中观察到的散射现象的主要原因是...
影响木材透明度的因素
在本综述中，光学透明度从透射率和雾度两个方面进行讨论。雾度定义为漫射光与总透射光通量的比率，用于量化材料内的光散射程度[[152]]。相比之下，不透明度描述了光传输的整体衰减，但没有区分吸收和散射机制[[152]]。
限制和瓶颈
尽管透明木材由于透明模板的存在而具有高光学清晰度和机械增强效果，但其制备仍面临多个挑战。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）仍然是复合材料生产中最常用的丙烯酸酯聚合物，因为它具有透明度、与纤维素的兼容性以及通过预聚时间可控的粘度[[10]]。然而，其化石来源以及缓慢的固化和水扩散动力学限制了其在可持续和可扩展工艺中的应用。
应用和功能要求
基于这一理念，调节雾度的能力是透明木材材料最独特和适应性最强的特性之一。通过调整木材微观结构、木质素去除程度或木材模板与渗透聚合物之间的折射率匹配，可以控制光散射并获得广泛的光学性能。这种结构可调性为建筑材料开辟了广泛的应用领域...
连接实验室规模开发和工业应用的透明木材
尽管在实验室规模上取得了显著进展，但将透明木材从概念验证阶段转化为工业可用材料仍然是一个关键挑战。如第5节（“限制和瓶颈”所讨论的，许多报道的制备方法依赖于批量处理、对试剂消耗的简化假设以及较长的模板改性和聚合时间。虽然这些方法适用于基础研究，但它们并不能完全反映工业实际需求...
结论和未来展望
本综述指出，透明木材不是一个单一的材料概念，而是一个由光学透明度、光散射、机械完整性和加工性之间的权衡所定义的设计空间。透明木材的光学响应源于木材各向异性、纤维素体积分数、木质素改性、细胞壁可及性和聚合物渗透的耦合效应，而不仅仅是折射率匹配的结果。因此，文献中报告的相似透射率值可能...
CRediT作者贡献声明
弗朗切斯卡·古洛（Francesca Gullo）：撰写——综述与编辑、初稿撰写、概念构思。
马西莫·梅索里（Massimo Messori）：撰写——综述与编辑、验证、监督。
保拉·帕尔梅罗（Paola Palmero）：撰写——综述与编辑、验证、监督。
