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同样一张纸,为什么沾油比沾水透得多?差在222倍

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一张纸撕开,边缘在显微镜下放大50倍,能看到构成纸张的纤维素,带着透明的光泽。放大到100倍、400倍,透明度更加明显。纤维素本身,其实是高度透明的。

那为什么我们平时看一张纸,只能看到一片白色,透不过去?


关键在于折射率。纤维素的折射率比空气(1.0)大很多,达到1.5左右。光遇到折射率不同的物体,不仅会折射,还会反射。按菲涅尔公式算,光从空气正入射纤维素,反射率约为4%。

单根纤维素放走的绝大多数光都能透过,但纸张内部有大量纤维素,光在它们之间反复反射、折射,透过的光越来越少。加上纤维素之间是成千上万个形状复杂、方向随机、尺度不一的孔隙,光线不停散射,最终被打散,宏观上就表现为一片白色。雪之所以白,原理相同,只是换成冰晶和空气的折射率差异。

水填进孔隙之后

纸沾了水,透明度其实也会增加。水填满了纸的空隙,光在纸张内部传播时,折射和反射发生在水和纤维素之间。水的折射率是1.33,代入公式,正入射时反射率约为0.36%。

干燥白纸的4%,是它的11倍。散射能力差了一大截,所以纸完全湿透后,透明度还是比较高的,而且随着边缘湿度不同,会呈现明显的透明梯度。

再看油浸纸。被油浸透的纸,透明度比沾水明显很多。大多数植物油的折射率在1.46附近,正入射时,浸透油的纸张内部光反射率低至0.018%。

把三个数字摆在一起:干燥纸4%、湿纸0.36%、油浸纸0.018%,比值是222:20:1。油浸透的纸散射能力最低,透明程度最高,比水高得多。

折射率接近时会发生什么

部分油的折射率可以超过1.6,而有的纤维素衍生物折射率可低于1.5,二者可以有交集。极端情况下,油和纸的折射率非常接近,就可能出现极高透明的现象,也就是光透明化(Optical Clearing)。这也是一种生物组织透明化处理技术,便于更好地观察生理结构。

除了浸泡折射率相同的液体,还可以通过致密化处理让纸变透明。研究发现,纤维素的散射系数随纤维素之间缝隙降低而降低,减少了反射界面,就能造出透明纸张。

比如用黏胶法(Viscose Process)等化学手段,把植物纤维素完全溶解为液体,再挤入酸浴中重新析出成膜,就能制造出高透明的玻璃纸(cellophane)。它之所以高透明,是因为纤维素分子重新排列,凝固成的致密薄膜没有纤维界面、没有空气孔隙。缺点是物理性能较差。

而通过纳米技术制造的纳米纤维素纸,在保留高物理性能的同时,透光率可超过90%。这样的纳米纸,可以制造高性能且环保的柔性轻质电子产品。还能通过不同的致密度,制造出不同雾度的纳米纸——随着散射明显增强,纳米纸整体越来越呈现白色。既有高透光率又有高雾度的纸,有望成为LED照明系统中光扩散的理想材料。

一张纸为什么白、为什么沾油更透,背后是折射率、反射率和孔隙结构在共同作用。而顺着这个原理走下去,透明纸、纳米纸这些材料,正在进入电子产品和照明系统的视野。

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