Miért készítenek átlátszó fát a tudósok?

Berglundot Fink felfedezése ihlette, de nem botanikai okokból. Az anyagtudós, aki a svéd KTH Királyi Technológiai Intézetben dolgozik, polimer kompozitokra specializálódott, és az átlátszó műanyagok robusztusabb alternatívájának létrehozása iránt érdeklődött. És nem ő volt az egyetlen, akit érdekeltek a fa erényei. Az óceán túloldalán a Marylandi Egyetem kutatói egy kapcsolódó céllal voltak elfoglalva: a fa erejének nem hagyományos célokra való hasznosításával.

Most, több éves kísérletezés után, ezeknek a csoportoknak a kutatása kezd meghozni gyümölcsét. Az átlátszó fa hamarosan felhasználásra kerülhet az okostelefonok szupererős képernyőiben; puha, izzó világítótestekben; és akár szerkezeti jellemzőkként is, mint például a színváltó ablakok.

„Őszintén hiszem, hogy ennek az anyagnak ígéretes jövője van” – mondja Qiliang Fu, a kínai Nanjing Erdészeti Egyetem fa nanotechnológusa, aki Berglund laboratóriumában dolgozott végzős hallgatóként.

A fa számtalan kis függőleges csatornából áll, mint egy ragasztóval összekötött szívószál szoros köteg. Ezek a cső alakú sejtek szállítják a vizet és a tápanyagokat egy fa, és amikor a fát betakarítják és a nedvesség elpárolog, levegőzsebek maradnak utána. Az átlátszó fa létrehozásához a tudósoknak először módosítaniuk kell vagy meg kell szabadulniuk a ragasztótól, az úgynevezett lignintől, amely összetartja a sejtkötegeket, és a törzseket és az ágakat a legtöbb földbarna árnyalattal látja el. A lignin színének fehérítése vagy más módon történő eltávolítása után üreges sejtekből álló tejfehér váz marad vissza.

Ez a váz még mindig átlátszatlan, mert a sejtfalak más mértékben hajlítják meg a fényt, mint a sejtzsebekben lévő levegő – ezt az értéket törésmutatónak nevezik. A légzsákok feltöltése olyan anyaggal, mint az epoxigyanta, amely a sejtfalhoz hasonló mértékben hajlítja a fényt, átlátszóvá teszi a fát.

Az anyag, amellyel a tudósok dolgoztak, vékony – jellemzően kevesebb, mint egy milliméter és körülbelül egy centiméter vastag. De a sejtek masszív méhsejt szerkezetet hoznak létre, és az apró farostok erősebbek, mint a legjobb szénszálak – mondja Liangbing Hu anyagtudós, aki a College Park-i Maryland Egyetemen átlátszó fával foglalkozó kutatócsoportot vezet. És a hozzáadott gyantával az átlátszó fa felülmúlja a műanyagot és az üveget: A tesztek során, amelyek azt mérték, hogy az anyagok mennyire könnyen törnek vagy törnek nyomás alatt, az átlátszó fa körülbelül háromszor erősebb, mint az átlátszó műanyagok, például a plexi, és körülbelül 10-szer szívósabb, mint az üveg.

„Az eredmények csodálatosak, hogy egy fadarab olyan erős lehet, mint az üveg” – mondja Hu, aki kiemelte a átlátszó fa jellemzői az 2023-ban Anyagkutatás éves áttekintése.

Az eljárás vastagabb fával is működik, de ezen az anyagon keresztül a kilátás ködösebb, mert több fényt szór ki. Hu és Berglund eredeti, 2016-os tanulmányaikban azt találták, hogy a gyantával töltött favázak milliméter vékony lemezei a fény 80-90 százalékát engedik át. Ahogy a vastagság egy centiméterhez közeledik, a fényáteresztő képesség csökken: Berglund csoportja arról számolt be, hogy a 3.7 milliméter vastag – nagyjából két krajcár vastag – fa csak a fény 40 százalékát engedte át.

Az anyag vékony profilja és szilárdsága azt jelenti, hogy kiváló alternatívája lehet a vékony, könnyen összetörhető műanyag- vagy üvegvágásokból készült termékeknek, például a kijelzőknek. A francia Woodoo cég például hasonló lignineltávolítási eljárást alkalmaz faszitálóiban, de hagy egy kis lignint, hogy más színesztétikát hozzon létre. A vállalat újrahasznosítható, érintésérzékeny digitális kijelzőit olyan termékekhez szabja, mint például az autók műszerfalai és reklámtáblái.

A legtöbb kutatás azonban az átlátszó fára, mint építészeti elemre összpontosított, és az ablakok különösen ígéretes felhasználási területet jelentenek – mondja Prodyut Dhar, a varanasi Indiai Technológiai Intézet biokémiai mérnöke. Az átlátszó fa sokkal jobb szigetelő, mint az üveg, így segíthet az épületekben megtartani a hőt, vagy távol tartani. Hu és munkatársai polivinil-alkoholt vagy PVA-t – egy ragasztóban és élelmiszer-csomagolásban használt polimert – is használtak a favázak beszivárgására, így átlátszó fát készítettek, amely nagy sebességgel vezeti a hőt. ötször alacsonyabb, mint az üvegé, a csapat 2019-ben számolt be Fejlett funkcionális anyagok.

A kutatók pedig más finomításokkal is előállnak a fa hőmegtartó vagy -leadó képességének növelésére, ami hasznos lenne az energiahatékony épületeknél. Céline Montanari, a svéd RISE Research Institutes anyagtudósa és munkatársai olyan fázisváltó anyagokkal kísérleteztek, amelyek raktározásból hőt bocsátanak ki, amikor szilárdból folyékonyra változnak, vagy fordítva. A tudósok például a polietilénglikol beépítésével azt találták, hogy a fa melegen tárolja a hőt, és lehűlve hőt bocsát ki. ACS alkalmazott anyagok és interfészek Az 2019-ban.

Az átlátszó fa ablakok ezért erősebbek lennének, és jobban segítik a hőmérséklet szabályozását, mint a hagyományos üvegek, de a kilátás homályos lenne rajtuk, jobban hasonlítana a matt üveghez, mint egy hagyományos ablakhoz. A homályosság azonban előnyt jelenthet, ha a felhasználók szórt fényt szeretnének: Mivel a vastagabb fa erős, részben teherbíró fényforrás lehet, Berglund szerint potenciálisan mennyezetként funkcionál, amely lágy, környezeti fényt biztosít a helyiségben.

Hu és Berglund továbbra is azon játszanak, hogy új tulajdonságokkal ruházzák fel az átlátszó fát. Körülbelül öt évvel ezelőtt Berglund és munkatársai a KTH-tól és a Georgia Institute of Technology-tól úgy találták, hogy képesek utánozni okos ablakok, amely átlátszóról színezettre válthat, hogy megakadályozza a láthatóságot vagy a napsugarakat. A kutatók egy elektrokróm polimert – egy olyan anyagot, amely elektromosság hatására megváltoztathatja a színét – szendvicsbe helyeztek átlátszó farétegek közé, amelyeket elektróda polimerrel vontak be az elektromosság vezetésére. Ez létrehozta egy fatábla, ami változik átlátszótól a bíborig, amikor a felhasználók kis elektromos áramot vezetnek át rajta.

A két csoport az utóbbi időben a transzparens fatermelés fenntarthatóságának javítására helyezte a figyelmet. Például a fa állványzat kitöltésére használt gyanta általában kőolajból származó műanyag termék, ezért jobb elkerülni a használatát, mondja Montanari. Csereként ő és kollégái feltaláltak egy teljesen bioalapú polimert, citrusfélék héjából származik. A csapat először az akrilsavat és a limonént kombinálta, egy citrom- és narancshéjból kivont vegyszert, amely az illóolajokban található. Aztán impregnáltak vele delignifikált fát. A bioalapú átlátszó fa még gyümölcsös töltelékkel is megőrizte mechanikai és optikai tulajdonságait, körülbelül 30 megapascal nyomást bírt jobban, mint a hagyományos fa, és a fény körülbelül 90 százalékát áteresztette – számoltak be a kutatók 2021-ben. Haladó tudomány.

Hu laborja pedig nemrégiben jelentett be Tudomány előlegek a zöldebb lignin-fehérítési módszer amely hidrogén-peroxidra és UV-sugárzásra támaszkodik, tovább csökkentve a termelés energiaigényét. A csapat körülbelül 0.5-3.5 milliméter vastagságú faszeleteket kefélt be hidrogén-peroxiddal, majd UV-lámpák előtt hagyta őket, hogy utánozzák a napsugarakat. Az UV kifehérítette a lignin pigment tartalmú részeit, de a szerkezeti részeket érintetlenül hagyta, így hozzájárult a fa szilárdságának megőrzéséhez.

Ezek a környezetbarátabb megközelítések segítenek korlátozni a gyártás során felhasznált mérgező vegyszerek és fosszilis alapú polimerek mennyiségét, de egyelőre az üvegnek még mindig kisebb a környezeti hatása az életciklus végén, mint az átlátszó fának – derül ki a Dhar és munkatársai által készített elemzésből. A teljes környezet tudománya. A kutatók szerint a zöldebb termelési rendszerek elfogadása és a gyártás növelése két lépés ahhoz, hogy az átlátszó fát a főbb piacokra vigyük be, de ez időbe telik. Bíznak azonban abban, hogy ez megvalósítható, és hisznek a benne rejlő fenntartható anyag lehetőségében.

„Amikor a fenntarthatóságot próbálja elérni, nem csak a fosszilis alapú anyagok tulajdonságait akarja elérni” – mondja Montanari. "Tudósként ezt szeretném túlszárnyalni."