▲ 大阪大学产业科学研究所纤维素纳米纤维材料研究领域副教授能木雅也和他制作的“透明纸”。
可与芳纶纤维匹敌的高“强度”
“虽然乍看起来像薄膜，但事实上却是一张透明纸。如果单单是透明、材质便宜，人们只会认为‘这个东西很有意思’，但该透明纸却具有塑料薄膜和薄板玻璃等材料不具备的出色特性。”
能木雅也副教授在展示一张看起来没有任何与众不同之处的透明薄纸时，得意地这样说道。
这种透明纸利用“纤维素纳米纤维”制成，纤维素纳米纤维是一种直径为15纳米的纤维，是对普通的非透明纸材料纤维素进行细化加工而成，粗细仅为原来的千分之一。
纤维直径为纳米级的纤维素纳米纤维具有相当高的“强度”，可媲美号称最强合成纤维、用于防弹背心的芳纶纤维，还具备极低的“热膨胀率”，可与高纯度石英玻璃相匹敌。
能木副教授认为，如果使用这种纤维素纳米纤维制作透明纸，或许可应用于“印刷电子”这一最尖端的电子领域。例如，能够制造出可折叠至很小、方便搬运、可在任何场所发电的太阳能电池等实际产品。
印刷电子是指尝试利用印刷技术制造液晶显示器、有机EL显示器及太阳能电池等电子元器件的电子技术。作为可实现节能及削减成本的技术而备受期待，目前已在部分领域开始应用。
例如，制造半导体时，目前通常使用“光刻”这种方法。即以真空状态，在500～800℃的高温下将材料层叠在基板上，然后削除不要的部分。而如果使用印刷技术，就可在200℃左右的低温下，只在基板所需的位置涂布材料。因此不会浪费材料，还可节能、削减环境负荷以及降低成本。并且，如果基板使用较薄且可弯曲的材料，还可实现电子元器件的柔性化及轻量化。还易于实现大面积化。
▲ 普通纸与透明纸。（提供：能木副教授）不过，难以直接使用原有的塑料薄膜。这是因为其耐热温度低于200℃，而且热膨胀率较高。以纳米单位精密地印刷电子电路和元件时，如果热膨胀率较高、伸缩幅度较大，进行调整的难度就会相应提高。
而透明纸的热分解温度与普通纸张一样，约为230℃，比塑料要高，而且透明纸的热膨胀率与石英玻璃相当。因此透明纸可与现有玻璃基板一样，放在生产线上进行加工。并且，纤维素纳米纤维之间能以极高的密度形成氢键，因此透明纸具有可与碳纤维强化塑料相匹敌的高“弹性模量”，也就是说具有不易变形的特性。
总之，透明纸可以解决塑料薄膜存在的所有课题。并且与玻璃相比，又轻又薄，还不易碎。还可折叠成很小，方便携带。
关于透明纸的特点，能木副教授解释说：“就相当于利用木材制作出了可折叠的薄板玻璃。”
无缝隙层叠纤维素纳米纤维
能木副教授产生使用纤维素纳米纤维制作透明纸的想法是在2007年前后。
纸原本是指“从木材等植物中提取纤维素纤维，经过敲打梳理，使其分散在水中，然后利用金属丝网等进行过滤，使其铺展开来，以便平整地层叠在一起，最终沥干水分后制成的片状物”。
纤维表面存在带负电荷的羟基，纸基本上就是通过这种羟基相互结合形成氢键而制成的。纤维之间并不是相互缠绕，而是通过氢键附着在一起。敲打梳理纤维是为了加大比表面积，增加相结合的羟基数量。
通常情况下，纸材料所用的纤维直径约为15微米。层叠这种纤维后，纤维之间会形成无数的细小缝隙，从而形成多孔结构。这样会导致光散射，因此纸张是不透明的。换个通俗的说法，这与没有空气进入的冰是透明的，而含有大量空气的刨冰是白色的是一个道理。
能木副教授就着眼于这一点。他的思路是，如果密密麻麻无缝隙地层叠比光波长还微细的纤维素纳米纤维，就不会发生光散射，因此应该可以制作出透明纸。结果和预期一样。2008年，能木副教授成功制作出了透明纸。
顺便一提，从2003年到2009年，能木副教授在日本京都大学生存圈研究所矢野浩之教授的研究室作研究员，在这期间，他与同事阿部贤太郎助教成功地以机械方式提取出了纤维素纳米纤维。
能木副教授的专业是研究树木的林产学，在学生时代就曾到印度尼西亚等地的热带雨林进行过实地考察。他正式开始研究纤维素纳米纤维是在2003年进入京都大学以后。
开发可折叠的太阳能电池
能木副教授成功制作出透明纸后，于2009年11月进入大阪大学产业科学研究所，在专攻尖端安装材料的菅沼克昭教授的研究室任助教。2010年，作为透明纸的实用事例，在该研究所辛川诚助教的协助下，开始着手制作有机薄膜太阳能电池。
能木副教授与辛川助教利用透明纸制作的有机薄膜太阳能电池。
有机薄膜太阳能电池是实用化备受期待的新一代太阳能电池，正如其名字所示，在光电转换层采用了有机化合物。由于以薄膜为基板，可使用印刷技术方便地进行制造，因此与以往的结晶硅型太阳能电池相比，不仅能降低生产成本，而且还具有又轻又薄、并可弯曲的特点。因此，应用范围相当广，可进行各种设计加工。
实际上，能木副教授在制作出透明纸时，还就制作太阳能电池，向几位有机薄膜太阳能电池研究人员进行了咨询。但并没有得到爽快的答复。
他们的意见是，全球正在推进以塑料薄膜为基板的研发，为了提高能源转换效率，研发竞争日益加速，在这一背景下，为什么要特意去使用毫不熟悉的新材料呢？
能木副教授回顾说：“辛川助教和我一样，同是农学系毕业，学的都是林产学专业。以前虽然曾在学会上见过面，但万万没有想到他会在大阪大学的产业科学研究所，从事有机电子材料的研究。有次在走廊碰见时，禁不住和他说：‘我想用透明纸作基板，制作有机薄膜太阳能电池，你来帮我吧。’他随即就表示，‘似乎很有趣。一定帮忙’。他之所以欣然同意，正是因为他熟知纤维素纳米纤维的特性。我真幸运啊。”
非加热、室温冲压的节能技术
现在，有机薄膜太阳能电池的基板使用的是耐热性好、热膨胀率低的玻璃，而透明电极使用的则是氧化铟锡（ITO）透明导电膜。氧化铟锡透明导电膜不仅不耐弯折，还要使用稀有金属铟。而且成膜使用的是高温加热的“溅射法”，成本昂贵，与不耐高温的基板不相配。
针对这种情况，能木副教授等人使用透明纸作为基板，使用银纳米线透明导电膜作为透明电极，开发出了新型有机薄膜太阳能电池。银纳米线透明导电膜是利用印刷技术等，把掺有银纳米线的油墨均匀涂抹在基板上制成的导电薄膜，具有相当好的柔性。
能木副教授说：“作为氧化铟锡透明导电膜的替代品，银纳米线透明导电膜虽然备受期待，但表面太过粗糙。如果应用于薄膜厚度只有几纳米的有机电子元器件，很容易发生短路。因此，为了降低粗糙度，我试着自上而下进行了强力冲压。这虽说是外行的笨办法，但也制成了光滑的银纳米线透明导电膜，从而我们得以成功试制出了有机薄膜太阳能电池。而且，这种方法属于室温冲压，无需加热，因此还可作为节能技术加以推进。”
在普通的纸上印刷银纳米线透明导电膜后，纸张将能够通电。
更令人高兴的是，实验结果证实，透明纸与银纳米线透明导电膜的粘着性明显高于塑料薄膜与银纳米线透明导电膜的粘着性，更加耐折叠。这样，就制成了又轻又薄、还可以折叠成小块的太阳能电池。
今后，如果使用透明纸作为基板的有机薄膜太阳能电池实现实用化，将可应用于相当广泛的用途，例如房间的壁纸和窗帘、服装，甚至是需要折叠运输的航天太阳能电池板等。
现在，在有机薄膜太阳能电池研发领域，研究人员开发出了许许多多的有机半导体材料，有些材料的能源转换效率甚至超过了10％。与之相比，能木副教授等人开发的太阳能电池的转换效率却仅为3％左右，但转换效率之所以低，原因在于使用的是标准材料，并不是因使用透明纸和银纳米线透明导电膜而使转换效率下降。
能木副教授还介绍说：“而且，使用透明纸的太阳能电池即使反复折叠、展开，也不容易损坏，通过按照需要扩大发电面积，可以弥补转换效率低的不足之处。比方说，在徒步郊游时可以折小，随身携带，到达山上后再展开使用。”
融合透明纸与印刷电子技术
不过，能木副教授本身是纤维素纳米纤维的研究者。因此他希望将太阳能电池的研发交由这方面的专家负责。
最后，能木副教授笑着说道：“我的目标是将透明纸与印刷电子技术融合起来，开发出环境负荷低的低温电子制造技术，实现真正的低碳社会。建立起利用印刷技术在这种纸上安装最尖端电子部件的技术，创造出既轻又柔软的电子元器件。”
“透明纸”源于自然，是从“林产学”这一农学领域诞生的崭新技术成果。虽然实现普及还需要解决认知、量产化等诸多课题，但我们殷切期待，这种新材料能够与最尖端的电子技术相结合，为实现舒适、环境负荷更低的社会做出贡献。
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