楓亞(張久銘)/文
木材可以透光是與生俱來的性質，有些材料乍看好像不透光，其實只要取材足夠薄就一定能夠透光，只是不同材料的透光性能不同而已。見下圖
圖源：自拍
圍繞木材的透光現象，有諸多待解之迷，難尋答案。筆者不揣淺陋，嘗試對這些問題做些粗淺的解釋。歡迎討論！
1.木材細胞壁物質具有良好的透光性
木材是由諸多細長且中空的細胞，以縱向指接、橫向堆疊的形式構成的多孔隙生物材料。換個角度，木材也可以說是由細胞壁結構物質「搭建」而成的多孔隙材料(孔隙中含有抽提物、水和空氣)。
細胞壁物質由纖維素、半纖維素和木質素三種成分組成，天然具有良好的透光性(注)，這是它們的理化性質決定的，是木材具有透光性的基礎。
註：
*纖維素為高度結晶且無色的物質，不同樹種中纖維素的結晶度各不相同，查教科書記載，木材纖維素的結晶度均值超過60%。(劉一星版《木材學》P119)
*半纖維素為無色物質，自身不能單獨存在，在細胞壁物質中以無定型狀態滲透在骨架物質--微纖絲間隙中。(徐有明版《木材學》P42、107)
*木質素在室溫下形成玻璃狀固體。在軟化點(135C)以上時，木質素大分子開始有微布朗運動，木質素軟化成膠凍狀。(成俊卿版《木材學》P243)
2.木材孔隙中的填充物與細胞壁物質之間的折光率匹配度是影響材料透光性的核心要素
關於光的折射
*光線從一種透光介質斜射入另一種透光介質時會在兩種介質的交界處發生折射和反射。折射光進入另一種介質中，反射光返回原介質中。
*光線從光疏介質進入光密介質時，折射角小於入射角；光線從光密介質進入光疏介質時，折射角大於入射角。
*光線從一種透光介質射入與之折光率相同的另一種透光介質時不發生折射。
木材內部的細胞腔、細胞間隙、細胞壁內部的微細管道、導管、紋孔等孔隙空間在自然狀態下被各種抽提物、水和空氣所填充。如果這些「填充物」的折光率與細胞壁物質的折光率比較接近(相配)的話，遵循光的傳播規律，透射光線在木內傳播時的折曲、漫散程度小，故傳播能量衰減少，傳播距離長。如果這些「填充物」的折光率與細胞壁物質的折光率失配，則透射光線在木內傳播時的折曲、漫散程度大，故傳播能量衰減多、傳播距離短。參見示意圖
圖源：筆者依《透明木材製備方法研究進展》中的配圖改造
說明：
①配圖所示意的光傳播路徑原理適用於細胞壁物質與細胞腔、細胞間隙、細胞壁內部的微細管道、導管、紋孔等所有孔隙中填充物的折光率匹配關係。
②配圖中所標孔隙填充物的折光率值為假設值，細胞壁物質的折光率值為實際值。
3.木材細胞壁物質及孔隙填充諸物的折光率一覽
①細胞壁物質的折光率
細胞壁物質≈1.56
②主要抽提物的折光率
色素類：
花青素≈1.80
葉黃素≈1.52
蘇木素≈1.62
桑黃素≈1.48
油脂類：均值≈1.47
樹脂類：(松香)≈1.54
樹膠類：(阿拉伯膠)≈1.44
果膠≈1.50
單寧≈1.50
③水的折光率
水≈1.333
④空氣的折光率
空氣≈1
說明：
由於木材抽提物成分極其複雜，無法也無須一一開列，此處只擇其要者(主要和常見的成分)列出。
以上數據有些來自專業資料庫、有些來自專業文獻的引用、還有一些來自網際網路的非專業平臺。因為數據來源複雜，也並非做量化分析之用，就不一一註明來源了。
4.木材孔隙空間內的抽提物佔比越大透光性越好
(坊間一般將抽提物統稱為「油性」)
木材孔隙中的填充物按類粗分有抽提物、水和空氣三大類物質。其中抽提物中各物的折光率值與細胞壁物質的折光率值(1.56)最為接近(見第3節內容)，下面做一下比較：
花青素≈1.80-1.56＝0.24
葉黃素≈1.52-1.56＝-0.04
蘇木素≈1.62-1.56＝0.06
桑黃素≈1.48-1.56＝-0.08
油脂類：均值≈1.47-1.56＝-0.09
樹脂類：(松香)≈1.54-1.56＝-0.02
樹膠類：(阿拉伯膠)≈1.44-1.56＝-0.12
果膠≈1.50-1.56＝-0.06
單寧≈1.50-1.56＝-0.06
比較結果顯示：抽提物中各物的折光率值與細胞壁物質折光率值的值差極小。為方便後面的分析，這裡將抽提物稱為細胞壁物質折光率的相配物。而空氣的折光率值為1，與細胞壁物質的折光率值1.56的值差極大，這裡將其稱為細胞壁物質折光率的失配物。
就木材的孔隙空間而言，抽提物含量越多，留給水和空氣的空間越少，抽提物含量越少，留給水和空氣的空間越多。就水和空氣所佔據的空間而言，含水率越高則留給空氣的空間越少，含水率越低則留給空氣的空間越多。
遵循折光率相配原理(見第2節內容)，木材中抽提物(相配物)的含量越多、佔比越大的材料透光性越強；抽提物的含量少、孔隙空間主要為空氣(失配物)所佔據的材料透光性弱。原理與事實高度吻合。
而同一材料，抽提物的含量是既定的，剩餘的孔隙空間內只有水和空氣，隨著含水率的降低，原先為水分(折光率1.333)所佔據的空間即置換為空氣(折光率1)。由於含水率的降低提高了孔隙空間內空氣(失配物)的佔比，所以材料的透光性會下降。相反，如果將木材放入水中浸泡以提高含水率，那麼材料的透光性會在原有的基礎上有所提高。
5.平行於紋理方向的透光性比垂直於紋理方向的透光性強
在材料不變(孔隙填充物沒變)、光照強度也不變的條件下，平行於紋理方向的光照與垂直於紋理方向的光照產生的透光度不同，前者明顯優於後者，這是因為材料平行於紋理方向的透光性強於垂直於紋理方向的透光性。見下圖
圖源：自拍
這種透光表現源於材料光學性質的各向異性。形成的原因既與木材細胞組織的構造與排列形式相關，也與細胞壁的骨架物質微纖絲的排列形式和排列方向相關。
5.1與細胞組織的構造與排列形式相關
木材是由諸多既細且長、粗細不同、只有細胞壁的空腔細胞，以縱向指接、橫向堆疊的形式構成的多孔隙材料。木材的縱向又叫平行於紋理的方向。見下圖
圖源：網際網路
通過電鏡圖我們可以感知到木材的主要細胞(所有縱向生長的各種細胞)組織具有很高的長徑比，以厚壁細胞來說，管胞(木纖維)長軸的尺寸是直徑的數十倍乃至百倍以上。這意味著在相同的尺度內，橫向排列(堆疊)的細胞數量是縱向銜接(指接)的細胞數量的幾十倍乃至百倍以上。
已知(見第2節內容)光線在木內傳播時折曲、漫散的程度越小則傳播能量衰減越少，傳播距離越長。
這個折曲、漫散的程度除了與孔隙內填充物的折光率相關外，還與單位尺度內的光線折曲頻度相關，折曲頻度低的漫散程度越小，傳播能量衰減越少，傳播距離越長。
藉助下面示意圖我們不難理解，光線沿平行於紋理方向傳播時的折曲頻度遠低於沿垂直於紋理方向傳播時的折曲頻度。參見下圖
圖源：筆者依網際網路電鏡圖改造
所以同一材料，平行於紋理方向的透光性比垂直於紋理方向的透光性更強。
5.2與微纖絲的排列形式和排列方向相關
微纖絲是細胞壁的骨架物質，由纖維素以分子鏈聚集成束和排列有序的微纖絲狀態存在於細胞壁中。半纖維素和木質素則以無序的狀態滲透在骨架物質的間隙中。
微纖絲在細胞壁物質中的佔比超過50%，其排列形式和排列方向對木材的光學性質具有重要的影響力。
鑑於構成木材的細胞壁物質主要來自厚壁細胞(管胞,木纖維)，下面以厚壁細胞舉例：
厚壁細胞的細胞壁為多層結構，其中的S層是主要壁層。見下圖左
①S層由幾十個到上百個因微纖絲的並行排列而形成的薄層疊加而成。
②S層的總厚度約佔細胞壁總厚度的70%～90%。見下圖中
③S層的微纖絲角與細胞縱軸約呈10°～30°角排列，近乎平行於細胞長軸。見下圖右
(徐有明版木材學P42-45)
圖源：筆者依徐有明版《木材學》配圖改造
已知細胞壁物質具有良好的透光性(見第1節內容)，是微纖絲的排列形式和排列方向使細胞壁物質的光學性質具有了各向異性的屬性。
從下面配發的示意圖可以看出，平行於細胞長軸方向的光照，光線大多是通過微纖絲的橫截面進入細胞壁物質進行傳播，而垂直於細胞長軸方向的光照，光線則全部是通過微纖絲的縱面進入細胞壁物質進行傳播。參見下圖
(註：細胞長軸方向=木材的紋理方向)
圖源：筆者依徐有明版《木材學》配圖改造
這意味著在相同的尺度內，平行於細胞長軸傳播的光線需要經歷的折曲頻度遠遜於平行於細胞長軸傳播的光線，故前者傳播能量的衰減遠低於後者。
所以就細胞壁物質而言，平行於細胞長軸方向的透光性比垂直於細胞長軸方向的透光性更強。
6.材色深淺與材料透光性之間不是因果關係
有色木材的材色不是恆定的，隨著時間的推移，材色會因氧化而由淺變深。有心者不難發現，同一材料的透光性會隨材色的逐漸轉深而下降。這很容易被理解為是材色的變深的導致了透光性的下降，事實究竟如何？我們通過下面分析來尋找答案。
木材是可透光的材料，受到光照後總光量分為光吸收、光反射和光透射三部分。光量的關係式如下：
總光量＝吸收量+反射量+透射量
關係式中：
*光吸收是木材所具有的內稟屬性，吸收能力是由材料的顯色物質中發色基團與助色基團的光學特性和結合狀態所決定的，材料的顯色物質處於穩態時，光吸收量是不變的。
*光反射是材料對來光選擇性地吸收及透射後的剩餘光，材表所呈現的材色就是反射光。色相反映反射光的波段，色明度(深淺)反映反射光的反射量。(反射量少＝色深，反射量多＝色淺)
*光透射指光線穿過木表在木內繼續傳播，透光度反映透射量。
為便於後面的分析和理解，此處將光量關係式「總光量＝吸收量+反射量+透射量」作一下移項處理，處理後的關係式如下：
總光量-吸收量＝反射量+透射量
該關係式傳遞了如下信息：
①由於材料對光線的吸收是相對穩定的不變量，所以反射量和透射量會隨著光照強度(總光量)的增加而增加、減少而減少。
②在光照強度(總光量)相同的條件下，光吸收能力越強(吸收量大)的材料反射量和透射量越低。
③如果同一材料經時之後因氧化(或其它)原因導致光吸收能力有所變化、吸收量增加，那麼，在光照強度(總光量)相同的條件下，該材料的反射量和透射量一定會降低。
通過②③兩點可以看出：在光照強度(總光量)不變的條件下，材料光吸收量的變化是因，反射量和透射量的變化都是果。這就是說，材色深淺與材料透光性之間只有相關性，不是因果關係。
7.透光性再好的木材也不透明
常識告訴我們：透明(指A端的光線穿過該物到達B端後能夠清晰成像)的物質一定是透光的，但透光的物質卻不一定是透明的。
透光材料的不透明程度叫霧度。
霧度指偏離入射光2.5°角以上的透射光通量在總透射光通量中的佔比。
木材是成分多樣、結構複雜的非勻質複合材料，複雜的光傳播條件(折射+散射)使透射光在木內形成了高霧度值的漫散光而失去成像能力。
一般而言，木材會因厚度的原因透射的光線不能將其穿透，不存在透不透明的問題。即便是高透光性的薄材光線可以將其穿透，然而到達另一端的光線也會因材料的霧度值較高而不能成像(透明)。
8.光照強度的變化影響木材的透光度
光照強度定義：
中文：光照強度
英文：illumination intensity，illuminance
簡稱：[光]照度
定義：入射(或到達)物體表面單位面積上的(可見光)光通量。單位為勒克斯(lx)。
(注:光照強度指物體被照明的程度，不是發光強度)
8.1光照強度的變化規律
①在光照距離和光照角度都不變的條件下，光源的發光強度越高則受照區面接收到的光通量越多，反之則越少。
②在光源恆定和光照角度不變的條件下，受照區面與光源的距離越近接收到的光通量越多，反之則越少。
③在光源恆定和光照距離不變的條件下，受照區面與入射光線的角度垂直時接收到的光通量最多；光線斜照時接收到的光通量則減少，越斜越少。
8.2材料透光度隨光照條件的變化而變化
實踐結果表明，在材料及被照區面不變(透光性沒變)的條件下：
①光源越亮被照區面的透光度越好。
②光源距被照區面越近透光度越好。
③垂直照時比斜照時被照區面的透光度好。
光照結果顯示：材料透光度的變化規律與光照強度的變化規律吻合。其中的邏輯關係表明：是光照條件的變化改變了光照強度，通過光照強度的變化影響材料的透光度。
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