偏光フィルターで、透明木材の向こうがくっきり見える

厚さ1ミリメートルのバルサ材から、光を吸収する成分であるリグニンを取り除き、透明なプラスチックで満たしたシートを通すと、約200メートル先の建物を見分けることができる。

それでも、景色は白くかすんだままだ。光学ではこれをヘイズ（haze、曇り度）と呼ぶ。通り抜けはするものの、まっすぐな道筋からそらされた光の割合のことである。ヘイズが多いほど、像はぼやける。スウェーデンのKTH王立工科大学とストックホルム大学の研究チームにとって、この材料と「木のガラス（wooden glass）」とを今なお隔てているのがヘイズだ。木のガラスは、窓のための再生可能な選択肢である。彼らが指摘するように、ふつうのガラスは製造に多くのエネルギーを必要とし、川床の砂という限りある資源に頼っている。

90%は通るが、その多くは迷子になる

彼らのプラスチックであるPMMAには、フェナントレンという分子が添加されている。これにより屈折率、つまり物質が光をどれだけ強く曲げるかを決める数値が約1.53に上がり、木材の細胞壁の屈折率に近くなる。2つの物質の屈折率が同じなら、光はその境界を曲がらずに通り抜ける。木材が占めるのは、体積のわずか8%である。

ふつうの偏光していない光では、このシートは緑色の光（波長550ナノメートル）の約90%、800ナノメートル近くの深い赤色の光の約92%を透過する。ところがヘイズは、紫色の光（400ナノメートル）での約60%から、緑色での43%、深い赤色での約30%へと下がるだけだ。著者たちの集計によれば、まれな例外を除き、厚さ1ミリメートル以上のセルロースに富む試料でこれまでに得られた最良のヘイズは、50%前後にとどまっている。実用的な木のガラスには、少なくともその10分の1まで下げる必要があると彼らは書いている。

光の振動の向きを回す

光は、電場が決まった向きに振動する波である。その向きが偏光だ。偏光フィルターは1つの向きだけを通す。研究チームはその向きを0°（木材の繊維に沿う向き）から90°（繊維を横切る向き）まで回し、出てきた光を積分球で集めた。積分球とは、あらゆる方向からの光を集める中空の球である。

• 繊維を横切る向きでは、800ナノメートル付近の深い赤色の光でヘイズが約21%まで下がる。著者たちによれば、これは汚れたガラスの水準に近づいている。
• 繊維に沿う向きでは、ヘイズははるかに高いままで、波長によってほとんど変わらない。
• 別に用意した532ナノメートルのレーザーでは、ヘイズは0°での55.9%から90°での40.7%へと下がる。偏光していない光では約45%になる。
• 透過する光の総量はほとんど変わらない。変わるのは、そらされる光の割合だけだ。

認証済みの標準試料では、どちらの偏光でも同じヘイズが得られたので、この効果は装置によるものではない。屈折率を調整していないふつうのPMMAでつくったシートは、どちらの向きでもかすんだままだった。繊維に沿う向きで約86%、横切る向きで79%である。

ヘイズは波長とともに下がり、その下がり方は、光が繊維を横切る向きに偏光しているとき（90°）に最も速く、繊維に沿う向き（0°）ではほとんど下がらない。532ナノメートルでは、ヘイズが約56%から41%に下がる一方、透過率は86%と90%のあいだにとどまる。— Figure 2, Song et al. (2026), arXiv:2610.33459.

繊維に沿う向きと横切る向きで異なる屈折率

原因はセルロース、つまりこの複合材料に強度を与えている結晶性の骨格である。セルロースは複屈折を示す。つまり、屈折率が偏光によって変わる。論文で用いられた代表的な値では、プラスチックは約1.53、セルロースは繊維を横切る向きで約1.52、沿う向きで1.58である。食い違いは一方で0.01、他方で0.05になる。したがって、繊維を横切る向きに振動する光は、屈折率がほぼそろった物質に出会い、ほとんどそらされない。繊維に沿う向きでは、5倍大きい食い違いが光を散乱させる。

繊維を横切る向きでは、ヘイズは波長の2乗分の1に比例して下がり、それに約8パーセントポイントの定数が加わる。この定数は表面の粗さに由来するのかもしれない（当てはまりはほぼ完璧で、R² = 0.994。1が完璧を意味する）。散乱体、つまり光の進路をそらす微小な構造を限りなく小さいものとして扱う古典的なレイリー極限では、この法則ははるかに急になり、波長の4乗分の1になるはずだ。より緩やかな傾きは、むしろ有限の大きさをもつ、コントラストの弱い微小な粒に合う。これはレイリー・ガンス・デバイ（Rayleigh–Gans–Debye）と呼ばれるモデルで記述される。このモデルを細い円柱に当てはめ、食い違いを0.02から0.01とすると、典型的な大きさは50〜200ナノメートルとなる。これは仮定にもとづく推定であって、測定値ではない。この大きさは、幅約30マイクロメートルある木材の細胞の空洞よりはるかに小さい。散乱体は細胞壁の内部にあるのだ。

空気のすき間があれば、逆のことが起きるはずだ。繊維に沿った細いすき間は、繊維を横切る向きに偏光した光を最も強く散乱させるだろう。電子顕微鏡の画像では、調べた領域で、プラスチックと細胞壁のあいだに目立ったすき間は見られない。

細胞壁の中のパッチワーク

走査電子回折では、電子ビームが厚さ200ナノメートルの薄片を30ナノメートルごとに通過する。各点での回折パターンから、そこに秩序だったセルロースがあるかどうかがわかる。研究チームは、水酸化ナトリウムに浸す処理をしたシートとしていないシートを比べた。この処理は細胞壁を膨らませ、プラスチックが入り込めるようにする。セルロースの信号が現れたのは、処理なしでは位置の98%、処理ありでは51%だった。

処理した細胞壁はパッチワーク状になっている。くっきりした結晶性のスポットが、信号が弱いかまったくない領域と隣り合っており、後者はプラスチックに富んでいるのかもしれない。それでもこの処理は欠かせない。処理によってプラスチックが細孔を満たせるようになるからで、細孔が残っていれば、はるかに強く光を散乱させてしまう。著者たちのねらいは、この処理を続けながら、隣り合う部分どうしを光学的に似たものにすることだ。

まっすぐ進む光

繊維を横切る向きに偏光した、持続時間150フェムト秒（1000兆分の1秒）のレーザーパルスについて、シートから出てくるまでの時間が計られた。木材の中をジグザグに進む光は遅れて届き、それぞれのパルスを引き伸ばしてしまうはずだ。光を集めるスリットを中心から0.70ミリメートルずらすと、光は中心での値の19%まで減ったが、パルスの幅は5〜8ピコ秒（1兆分の1秒）のままだった。これはカメラ自体のぼけである約4ピコ秒をわずかに上回る程度で、引き伸ばしは見られなかった。以前の測定における天然の木材とは異なる結果である。光はほぼまっすぐな経路を進んでいるのだ。ヘイズが約20%のとき、シートの中で光子が2回散乱される確率は数%程度だと著者たちは見積もっている。

新しい製法の代わりにフィルターを

研究チームは次に、室内光のもとで、シートの30センチメートル後ろに置いたロゴとカラーカードを撮影した。

30センチメートル離れた同じロゴとカラーカードを、シートだけ（a）、繊維に沿う向きの偏光子をつけて（b）、繊維を横切る向きの偏光子をつけて（c）見たもの。— Figure 5, Song et al. (2026), arXiv:2610.33459.

何もつけないシートを通すと、ロゴは判別できるが、文字の輪郭はぼやけている。フィルターを繊維に沿う向きにすると、ロゴはいっそうぼやける。繊維を横切る向きに回すと、文字がくっきりし、色と色の境目もはっきりする。ただし像は暗くなる。これは1つの偏光だけを残すことの代償である。