ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ФИЛЬТР ДЕЛАЕТ ВИД СКВОЗЬ ПРОЗРАЧНУЮ ДРЕВЕСИНУ ЧЁТЧЕ

Лист бальсовой древесины толщиной в один миллиметр, из которого удалён лигнин — компонент, поглощающий свет, — и который заполнен прозрачным пластиком, позволяет разглядеть здание примерно в 200 метрах.

И всё же вид остаётся молочным. В оптике это называют мутностью (haze): долей света, который проходит насквозь, но отклоняется от прямого пути. Чем больше мутность, тем размытее изображение. Для команды из Королевского технологического института KTH и Стокгольмского университета в Швеции именно мутность всё ещё отделяет этот материал от «древесного стекла» — возобновляемой альтернативы для окон: обычное стекло, отмечают они, требует много энергии для производства и зависит от ограниченного ресурса — речного песка.

Девяносто процентов насквозь, но многое — вкривь

В их пластик, ПММА, добавлена молекула под названием фенантрен. Это повышает его показатель преломления — число, определяющее, насколько сильно материал преломляет свет, — примерно до 1,53, что близко к показателю клеточных стенок древесины. Когда у двух материалов один и тот же показатель, свет переходит из одного в другой не преломляясь. Древесина составляет лишь 8% объёма.

В обычном, неполяризованном свете лист пропускает около 90% зелёного света (длина волны 550 нанометров) и около 92% тёмно-красного света, ближе к 800. Мутность же снижается лишь примерно с 60% в фиолетовом свете (400 нанометров) до 43% в зелёном и около 30% в тёмно-красном. По подсчёту авторов, за редкими исключениями, лучшая мутность, достигнутая до сих пор для богатых целлюлозой образцов толщиной не меньше миллиметра, держится около 50%. Практичному древесному стеклу, пишут они, нужна мутность как минимум в десять раз меньше.

Поворачиваем колебания света

Свет — волна, электрическое поле которой колеблется в определённом направлении: это его поляризация. Поляризационный фильтр пропускает только одно направление. Команда поворачивала это направление от 0° (вдоль волокон древесины) до 90° (поперёк них), собирая вышедший свет интегрирующей сферой — полой сферой, которая собирает его со всех направлений.

• Поперёк волокон мутность падает примерно до 21% в тёмно-красном свете, около 800 нанометров — приближаясь, как отмечают авторы, к уровню загрязнённого стекла.
• Вдоль волокон мутность остаётся гораздо выше и почти не меняется с длиной волны.
• С отдельным лазером на 532 нанометрах мутность падает с 55,9% при 0° до 40,7% при 90°; неполяризованный свет даёт около 45%.
• Полное количество прошедшего света почти не меняется. Меняется лишь доля отклонённого.

Сертифицированный эталонный образец дал одинаковую мутность при обеих поляризациях, так что эффект не связан с прибором. Лист из обычного, неподобранного ПММА остаётся мутным в любом случае: около 86% вдоль волокон, 79% поперёк.

Мутность падает с ростом длины волны — быстрее всего, когда свет поляризован поперёк волокон (90°), и почти никак, когда вдоль них (0°); на 532 нанометрах она снижается примерно с 56% до 41%, тогда как пропускание остаётся между 86% и 90%. — Рисунок 2, Song et al. (2026), arXiv:2610.33459.

Один показатель вдоль волокон, другой поперёк

Виновник — целлюлоза, кристаллический каркас, придающий композиту прочность. Целлюлоза обладает двулучепреломлением: её показатель преломления зависит от поляризации. При типичных значениях, используемых в статье, у пластика показатель около 1,53, у целлюлозы — около 1,52 поперёк волокон и 1,58 вдоль них: рассогласование 0,01 в одном направлении и 0,05 в другом. Поэтому свет, колеблющийся поперёк волокон, встречает почти согласованный материал и почти не отклоняется; вдоль них впятеро большее рассогласование его рассеивает.

Поперёк волокон мутность падает как единица, делённая на квадрат длины волны, плюс постоянная около 8 процентных пунктов, которая может быть связана с шероховатостью поверхности (почти идеальное совпадение: R² = 0,994, где 1 — идеальное значение). В классическом рэлеевском пределе, где рассеиватели — крошечные структуры, сбивающие свет с курса, — считаются исчезающе малыми, закон был бы гораздо круче: единица, делённая на длину волны в четвёртой степени. Более пологий наклон зато соответствует слабо контрастным частичкам конечного размера, которые описывает модель Рэлея–Ганса–Дебая. Применённая к тонким цилиндрам при рассогласовании от 0,02 до 0,01, она даёт типичный размер от 50 до 200 нанометров — это оценка, опирающаяся на допущения, а не измерение. Это намного меньше полостей клеток древесины шириной около 30 микрометров: рассеиватели находятся внутри клеточных стенок.

Воздушные зазоры дали бы обратную картину: тонкие зазоры вдоль волокон сильнее всего рассеивали бы свет, поляризованный поперёк них. На снимках электронного микроскопа в исследованных областях нет явных зазоров между пластиком и стенками.

Лоскутное одеяло внутри стенки

При сканирующей электронной дифракции электронный луч проходит через срез толщиной 200 нанометров с шагом 30 нанометров; картина в каждой точке показывает, есть ли там упорядоченная целлюлоза. Команда сравнила листы, изготовленные с вымачиванием в гидроксиде натрия и без него; это вымачивание заставляет стенки набухать, чтобы пластик мог проникнуть внутрь. Сигналы целлюлозы появляются в 98% точек без вымачивания и в 51% с ним.

Обработанные стенки образуют лоскутное одеяло: чёткие кристаллические пятна соседствуют с участками со слабым сигналом или вовсе без него, возможно, богатыми пластиком. Вымачивание остаётся необходимым, поскольку позволяет пластику заполнить поры, которые рассеивали бы гораздо сильнее. Цель авторов — сохранить его, но сделать соседние участки оптически одинаковыми.

Свет, который идёт прямо

Лазерные импульсы длительностью 150 фемтосекунд (миллионных долей миллиардной доли секунды), поляризованные поперёк волокон, засекали по времени на выходе; свет, петляющий зигзагами по древесине, пришёл бы с опозданием и размазал бы каждый импульс. Смещение собирающей щели на 0,70 миллиметра от центра снижало свет до 19% от его значения в центре, но импульсы оставались шириной 5–8 пикосекунд (триллионных долей секунды) — немногим больше собственного размытия камеры, около 4 пикосекунд, — без всякого растяжения — в отличие от природной древесины в более ранних измерениях. Свет идёт почти прямыми путями. При мутности около 20% авторы оценивают вероятность того, что фотон рассеется в листе дважды, в несколько процентов.

Фильтр вместо нового рецепта

Затем команда сфотографировала логотип и цветовую карточку в 30 сантиметрах за листом при комнатном освещении.

Один и тот же логотип и цветовая карточка в 30 сантиметрах, видимые только через лист (a), с поляризатором вдоль волокон (b) и поперёк них (c). — Рисунок 5, Song et al. (2026), arXiv:2610.33459.

Сквозь голый лист логотип узнаваем, но надписи мягкие. С фильтром вдоль волокон логотип становится ещё более размытым. Если повернуть фильтр поперёк, буквы становятся резче, а границы между цветами — чётче, хотя картинка темнеет: такова цена того, что остаётся лишь одна поляризация.