透明木材中的时空分辨光传播

《Advanced Optical Materials》：Spatiotemporally Resolved Light Propagation in Transparent Wood

透明木材（TW）作为可持续光学材料，具有高透光率和机械强度，但其显著的散射 haze 限制了应用。本研究通过化学改性处理不同木材模板（NW、DW、BW），结合时间-空间分辨传输测量，提取方向依赖的光散射系数和吸收系数。结果表明：TW的光散射系数比NW低两个数量级，光传输机制从扩散转向前向散射主导的准弹道模式，其纳米级结构设计实现了与玻璃相当的透光性。

　　透明木材生物复合材料（Transparent Wood Biocomposite, TW）是一种可持续的光学材料，结合了高透光率与机械强度，但同时也表现出显著的雾度（haze）。这种雾度限制了TW在需要高光学透明度的应用场景中的使用，而其物理起源尚未完全明了。本研究通过分析不同化学修饰阶段的TW及其相关木材基支架（包括未处理木材NW、脱木质素木材DW和漂白木材BW）中的光子传输行为，揭示了TW中光子传播机制的转变过程。通过时间与空间分辨的透射测量，提取了方向依赖的散射和吸收系数，进一步明确了TW在光学性能上的独特之处。

在自然木材中，纤维结构和细胞壁的复杂性导致光子在传播过程中经历多重散射，这种散射特性在未处理木材（NW）和脱木质素木材（DW）中尤为明显。然而，TW通过将空气替换为与木质素折射率相近的聚合物，显著降低了光子的散射程度。这种结构上的调整不仅改善了材料的透明度，还改变了光子的传播方向。研究发现，TW中的光子传播主要表现为“蛇形”轨迹，即在平面内进行折射，而非典型的扩散式传播。这一现象使得TW的光子传播呈现出从扩散向准弹道（quasi-ballistic）状态的转变，从而显著降低了雾度，使其更接近玻璃的光学特性。

为了更好地理解这一现象，研究团队采用了一种结合时间分辨（约皮秒级）透射测量和分析模型的方法。这种方法能够准确提取不同方向上的散射和吸收系数，从而区分光子传播机制。通过对比NW、DW、BW和TW在不同测量方向上的光子传播特性，研究发现TW的散射系数比其他三种材料低两个数量级，这表明其在光学性能上具有明显优势。例如，TW的散射系数为0.08–0.13 mm?1，而NW、DW和BW的散射系数则在2–9 mm?1范围内，说明TW的光子传播更接近于非散射状态。

在材料的微观结构中，木纤维的排列和细胞壁的特性对光子的传播路径有着深远的影响。NW和DW由于保留了大量空气与细胞壁之间的界面，因此表现出强烈的散射行为。而TW通过化学处理，减少了这些界面，从而显著降低了散射强度。此外，TW的折射率匹配使得光子在传播过程中经历的反射和折射效应更为有序，而非随机扩散。这种结构上的优化不仅提高了透明度，还赋予了TW更长的光子传输路径，使其在某些方向上接近于弹道传播。

研究还发现，光子传播的方向性在TW中尤为显著。当光束方向与纤维平行时，TW表现出较低的散射系数和较宽的传输时间分布，而当光束方向与纤维垂直时，虽然散射系数略有增加，但整体上仍远低于NW、DW和BW。这种方向依赖的散射特性表明，TW的光子传播不仅受到折射率匹配的影响，还受到纤维结构和界面质量的调控。通过分析不同木材样品在不同光束方向下的透射行为，研究进一步验证了TW中光子传播机制的转变，以及其与传统木材基材料的显著差异。

此外，研究还探讨了TW在不同厚度下的光学表现。较薄的TW样品（如1–5 mm）能够实现良好的透明度，而较厚的样品则可能由于界面脱粘和聚合物渗透不均，导致光子传播受到阻碍，进而出现部分散射现象。这一发现强调了在实际应用中，TW的厚度与光学性能之间的平衡问题。因此，未来的研究应重点关注如何优化聚合物渗透工艺，以确保在更厚的样品中仍能维持低散射和高透明度。

从实验结果来看，TW的光学性能与其微观结构和化学处理密切相关。脱木质素和漂白处理不仅改变了木材的物理特性，还显著影响了其光学行为。例如，脱木质素处理减少了纤维之间的界面密度，而漂白处理则通过去除木质素的吸收特性，降低了光子在短波长下的散射。这些发现为未来设计具有可控雾度和高透明度的生物复合材料提供了重要的理论基础和实验依据。

TW的光子传播机制与传统木材材料有着本质的不同。在传统木材中，光子的传播路径受到多方向散射的影响，导致光束扩散。而在TW中，由于折射率的匹配和纤维结构的优化，光子的传播更倾向于向前行进，形成“蛇形”路径。这种行为不仅提高了光子的传输效率，还使得TW在某些应用中更具潜力，如生物可降解电子设备、光学传感器和节能建筑材料等。

综上所述，本研究通过深入分析TW及其相关材料的光子传播特性，揭示了其从扩散到准弹道状态的转变机制。这一发现不仅深化了我们对生物复合材料中光子传输过程的理解，还为未来开发具有更高光学性能的可持续材料提供了新的思路。TW的“木材玻璃”概念在这一研究中得到了进一步支持，表明通过合理的化学处理和结构优化，木材基材料有望在光学性能上达到与传统玻璃相当的水平。同时，研究也指出，未来的工作需要进一步探索不同散射机制（如瑞利散射和米氏散射）对光子传输的影响，并关注更厚TW样品中的透明度与散射之间的平衡问题，以推动其在更广泛的应用场景中发挥作用。