文／施奇廷（東海大學應用物理學系教授）

講到現代化的大都會，大家的第一印象是什麼呢？相信許多同學的答案都是「一大群摩天大樓」，不只要有很多大樓，最好還是散發出現代洗鍊風格的「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，雖然讓內部空間變得很明亮，但是伴隨而來的，是太陽把「光」帶進大樓，同時也把「熱」也帶進來了。夏天時大夥兒只好把冷氣「催盡磅」（開最大），等到收到電費帳單時臉就綠了。此外，玻璃脆弱的特性也令住戶擔憂大樓壽命，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！就是「木材」！

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，而且還得使用大量有毒化學物質；耗能與汙染，加上高成本，使得「透明的木材」還無法大量生產。

關鍵突破 去發色團

去年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月美國馬里蘭大學材料工程學系胡良兵教授研究團隊，開發了新的透明木材製程。

有些同學可能知道，木材的主要成分為纖維素以及木質素。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，還要解決界面穿透的問題：由於木材組成分中：木質素、纖維素與空隙空氣之間，各種材料的折射率不同，材料之間的界面也就會發生部分透射、部分反射的現象──每通過一個介質界面，都會降低光線穿透速率。

怎麼克服呢？方法相當簡單：先把木頭塗上雙氧水（過氧化氫H2O2）後，在陽光下曝晒（或者用紫外線燈也可以）1個小時，就可以除去發色團分子以及「半纖維素」，將木頭「漂白」變成白色。接下來注入日常生活中當作黏膠或固化劑的「環氧樹脂」……鏘！鏘！木頭就變透明啦！

透明原理 同折射率

為什麼環氧樹脂這麼神奇，灌下去就會讓木頭變透明呢？其實這是一個稱為「折射率配合」的現象，空氣的折射率大約是1；木質素是1.61；纖維素是1.53，所以光線會不斷通過「空氣─木質素─空氣─纖維素」的連續界面。

由於每個界面兩邊的折射率相差很大，透射的比率就會降低；若是將折射率1.5左右的環氧樹脂取代空氣，如此一來，木材內所有組成物質的折射率變得相當平均，也就是落在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，所以光大部分都會透射過去，木頭也就變透明了。

下雨的時候，同學身上有些衣服也會變得比較透明，這是同樣的道理。衣服的纖維折射率也在1.5左右，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，所以也會變透明啦＊！

隔熱透光 兼容並蓄

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；而且在灌入環氧樹脂後，進一步補強了結構，強度大幅提升了45倍之多！此外，透明木頭在可見光波段與玻璃不相上下，但在紅外光（熱的主要來源）波段穿透率卻遠低於玻璃，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，也可以拿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。今天介紹的科普文章所運用到的，其實就是最基本的光學原理，這下同學們知道物理學的厲害了吧！

編註

不是所有衣服碰到水都會變透明。有顏色的布料會吸收特定波長的可見光，所以無法全部透射，並不會變透明。