Dlaczego naukowcy tworzą przezroczyste drzewo

Mocniejszy niż plastik i twardszy niż szkło: wypełniony żywicą materiał jest używany do produkcji ekranów smartfonów, szczelnych okien i nie tylko.

Trzydzieści lat temu botanik z Niemiec miał marzenie: zobaczyć wewnętrzne funkcjonowanie roślin bez konieczności ich sekcjonowania. Wybielając pigmenty w komórkach roślinnych, Siegfried Fink był w stanie stworzyć przezroczyste drewno i opublikował swoją technikę w niszowym czasopiśmie poświęconym technologii drewna. Artykuł z 1992 roku pozostawał ostatnim słowem na temat przezroczystego drewna przez ponad dekadę, dopóki nie natknął się na niego badacz Lars Berglund.

Berglund został zainspirowany odkryciem Finka, ale nie z powodów botanicznych. Naukowiec zajmujący się materiałami, który pracuje w Królewskim Instytucie Technologii KTH w Szwecji, specjalizuje się w kompozytach polimerowych i był zainteresowany stworzeniem mocniejszej alternatywy dla przezroczystego plastiku. I nie tylko on był zainteresowany zaletami drewna. Po drugiej stronie oceanu naukowcy z Uniwersytetu Maryland mieli inny cel: wykorzystać wytrzymałość drewna do niekonwencjonalnych celów.

Teraz, po kilku latach eksperymentów, badania grupy zaczynają przynosić owoce. Przezroczyste drewno może wkrótce znaleźć zastosowanie w ultrawytrzymałych ekranach smartfonów, miękkich, świecących światłach, a nawet w budownictwie - na przykład w oknach zmieniających kolor.

"Naprawdę wierzę, że ten materiał ma obiecującą przyszłość" - mówi Qiliang Fu, nanotechnolog drewna z Nanjing Forestry University w Chinach, który pracował w laboratorium Berglunda jako doktorant.

Drewno składa się z niezliczonych małych pionowych kanalików, przypominających ciasną wiązkę słomek połączonych klejem. Te rurkowate komórki transportują wodę i składniki odżywcze w całym drzewie, a kiedy drzewo zostanie ścięte, a wilgoć wyparuje, w tych obszarach pozostają kieszenie powietrzne. Aby stworzyć czyste drewno, naukowcy muszą najpierw zmienić lub pozbyć się kleju, ligniny, która utrzymuje wiązki komórek razem i nadaje pniom i gałęziom ich ziemisto-brązowy kolor. Po wybieleniu lub usunięciu ligniny w inny sposób, pozostaje mlecznobiały szkielet pustych komórek.

Szkielet ten pozostaje nieprzezroczysty, ponieważ ściany komórkowe załamują światło inaczej niż powietrze w kieszeniach komórkowych - mają inny współczynnik załamania światła. Jeśli wypełnimy kieszenie powietrzne substancją taką jak żywica epoksydowa o podobnym współczynniku załamania światła do ścian komórkowych, drewno stanie się przezroczyste.

Materiał, z którym pracowali naukowcy, jest bardzo cienki - zwykle ma grubość od milimetra do centymetra. Ale komórki tworzą mocną strukturę plastra miodu, a maleńkie włókna drzewne są mocniejsze niż najlepsze włókna węglowe, mówi naukowiec ds. materiałów Liangbin Hu, który kieruje zespołem badawczym pracującym nad przezroczystym drewnem na Uniwersytecie Maryland w College Park. Po dodaniu żywicy, przezroczyste drewno pod wieloma względami przewyższa plastik i szkło. W testach mierzących, jak łatwo materiały pękają pod naciskiem, przezroczyste drewno było trzy razy mocniejsze niż przezroczysty pleksiglas i około 10 razy mocniejsze niż szkło.

"Wyniki są zaskakujące: kawałek drewna może być tak mocny jak szkło" - mówi Hu, który opisał właściwości przezroczystego drewna w 2023 Annual Review of Materials Research.

Proces ten można również zastosować do grubszego drewna, ale widok przez nie jest bardziej mętny, ponieważ rozprasza więcej światła. W swoich oryginalnych badaniach z 2016 roku, Hu i Berglund odkryli, że milimetrowej grubości arkusze drewnianej ramy wypełnionej żywicą przepuszczają od 80 do 90 procent światła. Przy grubości bliższej centymetra przepuszczalność światła spada: grupa Berglunda stwierdziła, że drewno o grubości 3,7 mm przepuszcza tylko 40% światła.

Cienki profil i wytrzymałość materiału oznacza, że może on być świetną alternatywą dla produktów wykonanych z cienkiego, łatwo tłukącego się plastiku lub szkła - takich jak ekrany. Na przykład francuska firma Woodoo wykorzystuje podobny proces do usuwania ligniny z drewnianych ekranów, ale pozostawia trochę ligniny, aby stworzyć interesujący odcień koloru. Firma opracowuje nadające się do recyklingu, czułe na dotyk wyświetlacze cyfrowe do desek rozdzielczych samochodów i billboardów.

Jednak większość badań koncentrowała się na wykorzystaniu przezroczystego drewna jako elementu architektonicznego, a jego zastosowanie w oknach wydaje się szczególnie obiecujące, mówi Prodyut Dhar, inżynier biochemiczny z Indyjskiego Instytutu Technologii w Varanasi. Przezroczyste drewno jest znacznie lepszym izolatorem niż szkło, więc może pomóc budynkom zatrzymać ciepło lub utrzymać je na zewnątrz. Hu i jego koledzy wykorzystali również alkohol poliwinylowy - polimer stosowany w klejach i opakowaniach żywności - do impregnacji drewnianej ramy, w wyniku czego powstało przezroczyste drewno, które przewodzi ciepło pięć razy gorzej niż szkło, zespół poinformował w 2019 roku w czasopiśmie Advanced Functional Materials.

Naukowcy opracowują inne sposoby na poprawę zdolności drewna do zatrzymywania lub uwalniania ciepła, co może być przydatne w energooszczędnych budynkach. Celine Montanari, naukowiec zajmujący się materiałami w RISE, szwedzkim instytucie badawczym, i jej koledzy eksperymentowali z materiałami zmiennofazowymi, które przełączają się z zatrzymywania na uwalnianie ciepła, gdy zmieniają się ze stanu stałego w ciekły lub odwrotnie. Dzięki zastosowaniu glikolu polietylenowego, naukowcy odkryli, że ich drewno może magazynować ciepło, gdy jest ciepłe i uwalniać je, gdy się ochładza, praca opublikowana w czasopiśmie ACS Applied Materials and Interfaces w 2019 roku.

Tak więc okna z przezroczystego drewna będą mocniejsze i pomogą regulować temperaturę lepiej niż tradycyjne szkło, ale widok przez nie będzie mętny, bardziej przypominający matowe szkło niż konwencjonalne okno. Jednak ta mętność może być zaletą, jeśli użytkownik potrzebuje rozproszonego światła: ponieważ grube drewno jest mocne, może być częścią konstrukcji nośnej, która przewodzi światło, mówi Berglund - na przykład płyta sufitowa, która zapewnia miękkie, rozproszone światło w pomieszczeniu.

Hu i Berglund nadal poszukują sposobów na nadanie przezroczystemu drewnu nowych właściwości. Około pięć lat temu Berglund i jego koledzy z KTH i Georgia Institute of Technology odkryli, że mogą naśladować "inteligentne" okna, które mogą przełączać się ze stanu przezroczystego na przyciemniony, aby blokować widoczność lub światło słoneczne. Naukowcy umieścili polimer elektrochromowy - substancję, która może zmieniać kolor pod wpływem elektryczności - pomiędzy warstwami przezroczystego drewna pokrytego polimerem elektrodowym przewodzącym prąd. Rezultatem jest drewniany panel, który zmienia kolor z przezroczystego na magenta, gdy przepływa przez niego niewielki prąd elektryczny.

Ostatnio obie grupy skupiły się na tym, by produkcja czystego drewna była bardziej przyjazna dla środowiska. Przykładowo, żywica używana do wypełniania drewnianych rusztowań jest zazwyczaj tworzywem sztucznym pochodzącym z ropy naftowej, więc najlepiej jest jej unikać, mówi Montanari. Jako substytut, ona i jej koledzy wynaleźli całkowicie biologiczny polimer pochodzący ze skórek cytrusów. Najpierw połączyli kwas akrylowy i limonen, substancję chemiczną ekstrahowaną ze skórek cytryn i pomarańczy i występującą w olejkach eterycznych. Następnie zaimpregnowano nim drewno niezawierające ligniny. Nawet z wypełniaczem owocowym, przezroczyste drewno na bazie biologicznej zachowało swoje właściwości mechaniczne i optyczne, wytrzymując ciśnienie o 30 megapaskali większe niż konwencjonalne drewno i przepuszczając około 90 procent światła, poinformowali naukowcy w czasopiśmie 2021 in Advanced Science.

W międzyczasie laboratorium Hu opublikowało niedawno w Science Advances raport na temat bardziej ekologicznej metody wybielania ligniny, która opiera się na nadtlenku wodoru i świetle ultrafioletowym, co dodatkowo zmniejsza zużycie energii potrzebnej do produkcji. Zespół potraktował kawałki drewna o grubości od 0,5 do 3,5 mm nadtlenkiem wodoru, a następnie pozostawił je przed lampami ultrafioletowymi, które naśladują światło słoneczne. Światło UV wybieliło zawierające pigment części ligniny, ale pozostawiło nienaruszone części strukturalne, zachowując w ten sposób wytrzymałość drewna.

Te bardziej ekologiczne podejścia pomagają ograniczyć ilość toksycznych chemikaliów i polimerów kopalnych wykorzystywanych w produkcji, ale na razie szkło nadal ma mniejszy wpływ na środowisko po zakończeniu cyklu życia niż przezroczyste drewno, zgodnie z analizą przeprowadzoną przez Dhara i współpracowników w czasopiśmie Science of the Total Environment. Naukowcy stwierdzili, że przyjęcie bardziej ekologicznych schematów produkcji i zwiększenie skali produkcji to dwa kroki niezbędne do tego, aby przezroczyste drewno trafiło na rynki głównego nurtu, ale zajmie to trochę czasu. Są jednak przekonani, że jest to możliwe i wierzą w jego potencjał jako zrównoważonego materiału.

"Starając się poprawić zrównoważony charakter produkcji, nie wystarczy osiągnąć właściwości znanych materiałów kopalnych", mówi Montanari. "Jako naukowiec chcę przewyższyć ich właściwości".