科学家造出超级黑木材，将木材细胞壁尺寸从微米级变为纳米级，光吸收率达到99.65%
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麻省理工科技评论-科学家造出超级黑木材，将木材细胞壁尺寸从微米级变为纳米级，光吸收率达到99.65%
日前，芬兰阿尔托大学博士生赵斌以木材为原料，成功打造出一种坚固无毒的超级黑木头，这是一种具有超低光反射率的木质碳材料，也是一种生物质基的超级黑材料，光吸收率达到 99.64%。
当用电子显微镜仔细检查这种材料的纳米结构时，立马出现一幅令人着迷的画面：随着碳化温度的升高，木材细胞壁直接呈现出新的结构。
碳化的木材是黑色材料，但并不是超级黑。这是因为碳化温度和木质素含量，是两个主要的限制性因素。
而当赵斌等人调整木质素含量并提高碳化温度时，木材细胞壁的尺寸从微米级变为纳米级，这意味着光散射受到了抑制，从而让光反射率得以大幅降低。
通过此，得以将碳化木材的反射率降低了一个数量级，为该类材料的制备提供了更加绿色可持续的方法，也为木基材料在光学领域的应用提供了新的思路。
同时，这也是超级黑木头概念的首次面世，由于其拥有更好的耐久性和坚固性，故将为木材的高附加值利用带来更多空间。
赵斌所在团队还通过和阿尔托大学教授孙志培课题组的合作，证明超级黑木头在激光实验室具有一定作用，并且比目前常用的激光收集器更加高效。
通过此，他们发现超级黑木头拥有接近完美的吸光率，可以降低杂散光对于光学设备精度的影响。
超级黑木头也有望用于天文望远镜，削弱由太阳光引起的强烈背景影。也可作为照相机的镜头罩，借此提升照片的质量。
还可以将其用在激光实验之中，借此来淬灭激光，从而降低激光反射对人眼的伤害。更可以将其用于提高太阳能收获率，进而提升太阳能蒸汽发生器的性能。
事实上，超级黑并不是一个新概念。自然界中出现超黑特征的原因有多种，包括伪装、体温调节以及协助动物之间的社交互动。这些也是吸光化合物与光捕获结构加以完美结合的结果。
举个例子，森林往往要比开阔的田野暗得多。假如一片森林的树木有几公里高，在这种情况下森林的纵横比（高度与树之间的空间之比）要高得多。这时，光线会在穿过树墙的时候，经过多次反射之后完全消失。
而此前人们曾在表面刻蚀的镍磷合金表面实现过超级黑。后来由于垂直排列碳纳米管阵列的出现，催生了具有表面修饰的超级黑金属和一些蓬松的碳材料。
很多超级黑材料都是易碎的多孔材料，由于只能在超净实验室里实现，限制了进一步的研究。后来，人们发现自然界中很多动物的超级黑结构更耐久，也更能适应复杂的环境。
研究中，赵斌等人借鉴了领域内此前将碳化木材作为太阳能水蒸气发生器和透明木材的成果。其发现，木材的多级孔结构，有利于调控光与物质相互作用，这样一来既能让光全透过（透明木头），也可以在碳化后促进光吸收。
由于木材具有多级孔结构，故能被制备成超级黑木材或者透明木材。透明木材的制备原理在于：寻找折光率与木材匹配的聚合物，然后将其填充在木材之中，从而提升木材的透光率。
在本次研究刚开始的半年间，和赵斌在同一个团队的硕士生时雪彤（现为英属哥伦比亚大学博士生），初步证明了木材基超级黑材料可行性。
于是，赵斌将透明木材与超级黑结合，提出了超级黑木头的概念。同时，还在一定程度上解决了超级黑材料本身的易碎问题。
而在研究不同种类的超级黑材料之后，赵斌意识到很多超级黑体系都是由超轻的蓬松材料实现的，比如垂直排列的碳纳米管、多孔的碳纳米球、被侵蚀的金属表面和天堂鸟羽毛等。
受此启发，他将碳化温度进行提高，并在原木材料上验证了可行性，又在脱木素的木头上取得进一步突破，最终达到超级黑的级别。
虽然达到了超级黑的级别，但是他们一开始并不明白背后的机理，很难解释黑度上升一个数量级的背后原因。
通过有限元建模的方法，他们根据木材结构在各个实验步骤中的变化，在相关软件的帮助之下，以可控的方式来设计超级黑木头的形貌和尺寸，从而验证了木材超级黑的理论，并针对其背后机理加以解释。
尽管超级黑木头是一个看起来很酷的学术名词，但是将超级黑材料和木头建立联系却并非一蹴而就。碳化之后的木材截面，其吸光率高达 97%-99%。正因此，碳化木材在太阳能蒸汽发生器上的应用是近年来的一个热点。
而木基的超级黑材料的吸光率为 99.6%。在本次研究之中很长一段时间，碳化木头的吸光率都在 99% 左右徘徊。
即便多次尝试修改参数，也都以失败而告终。有一次，赵斌将碳化温度升高到 1500°C，这时产生了新的结构，吸光率也被提升到 99.65%，从而达到了超级黑的级别。
最终，相关论文以《木材基超级黑》（Wood-based superblack）发在 Nature Communications[1]，赵斌是第一作者，加拿大不列颠哥伦比亚大学奥兰多·J·罗哈斯（Orlando J. Rojas）教授和芬兰阿尔托大学布鲁诺·马托斯（Bruno D. Mattos）教授担任共同通讯作者。
由于得到了期刊主编的重视，本次论文还被 Nature Communications 主页加以高亮报道，并被选为 2023 年 TOP 50 论文。
同时，Nature Reviews Materials 也发表了一篇评论文章，并将本次超级黑木材与透明木材放在一起讨论。
本次工作是赵斌在芬兰读博期间的成果，故在芬兰得到不少的关注，他也因此受邀参加赫尔辛基设计周，在那里他展示了这款超级黑木材。
不过，作为材料的一种表面性能，超级黑——高度依赖于材料表面的微纳结构与组装方式。因此人们一般使用蓬松的超轻材料来制备超级黑材料。
垂直排列的碳纳米管阵列，是目前最黑的人造材料，吸光度高于 99.96%，但却仅能在超净间之内使用。
无论是外界的触碰，还是环境中的湿度，都会给超级黑材料的性能带来严重损害，因此很难被用于日常生活之中。
但是，在自然界中有很多超级黑物种，比如孔雀蜘蛛、天堂鸟、深海鱼类、蝴蝶、甲虫等，它们的身上都拥有一些超级黑结构，这些结构即便面临苛刻环境也不容易被破坏。
对于自然界中的超级黑物种，领域内的学者也非常着迷。目前，赵斌和同事在超级黑物种的启发之下，正在努力提升人造超级黑木材的表面耐久性。
另外，近年来人造超疏水表面材料取得了很好的进展，该类材料的微纳结构设计，也能为研发超级黑木材带来一定借鉴意义。
眼下，赵斌等人正在研究被重组之后的木材，他们发现这种木材在碳化后，表现出更加优异的表面耐久性，故将基于此开展后续的研究。
另据悉，赵斌本科和硕士均毕业于四川大学。硕士期间，他主要从事二氧化碳捕集的研究，期间发表 SCI 论文一篇 [3]，后在四川大学梁斌教授的推荐下来到芬兰阿尔托大学读博。
博士期间，他继续研究二氧化碳捕集，并利用木质素基的碳纳米球，实现了低能耗的二氧化碳捕集与再生 [4]。
目前，他主要研究木基的高附加值功能材料。木基材料是一种可持续、可再生的原料，有利于林产资源、及其副产品的高效利用，也可以促进“双碳”政策的推行。
“因此在博士毕业之后，我倾向于回到川渝地区的高校继续从事科研工作，希望将来能为国家的碳减排目标出一份绵薄之力，”赵斌最后表示。
参考资料：
1.Zhao, B., Shi, X., Khakalo, S.et al.Wood-based superblack. Nat Commun 14, 7875 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43594-4
2.Wood can be made superblack or transparent, Nature Reviews Materials 2024
3.B. Zhao, et al., Applied Energy 2017
4.B. Zhao, et al., ACS nano 2021
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