Почему ученые создают прозрачную древесину

Берглунд был вдохновлен открытием Финка, но не по ботаническим причинам. Ученый-материаловед, работающий в Королевском технологическом институте KTH в Швеции, специализируется на полимерных композитах и ​​был заинтересован в создании более прочной альтернативы прозрачному пластику. И он был не единственным, кто интересовался достоинствами дерева. За океаном исследователи из Университета Мэриленда были заняты достижением схожей цели: использовать силу древесины для нетрадиционных целей.

Теперь, после многих лет экспериментов, исследования этих групп начинают приносить плоды. Прозрачная древесина вскоре может найти применение в сверхпрочных экранах для смартфонов; в мягких, светящихся светильниках; и даже в качестве конструктивных особенностей, таких как окна, меняющие цвет.

«Я искренне верю, что у этого материала многообещающее будущее», — говорит Цилян Фу, нанотехнолог по дереву из Нанкинского университета лесного хозяйства в Китае, который работал в лаборатории Берглунда в качестве аспиранта.

Древесина состоит из бесчисленных маленьких вертикальных каналов, похожих на плотный пучок соломинок, связанных между собой клеем. Эти трубчатые клетки транспортируют воду и питательные вещества по всему организму. дерево, а когда дерево собирают и влага испаряется, после него остаются воздушные карманы. Чтобы создать прозрачную древесину, ученым сначала необходимо модифицировать или избавиться от клея, называемого лигнином, который скрепляет пучки клеток и придает стволам и ветвям большую часть их землистых коричневых оттенков. После обесцвечивания лигнина или удаления его другим способом остается молочно-белый скелет из полых клеток.

Этот скелет все еще непрозрачен, потому что стенки клеток преломляют свет в разной степени, чем воздух в карманах клеток — величина, называемая показателем преломления. Заполнение воздушных карманов веществом вроде эпоксидной смолы, которое преломляет свет в такой же степени, как и стенки ячеек, делает древесину прозрачной.

Материал, с которым работали ученые, тонкий — обычно толщиной от менее миллиметра до примерно сантиметра. Но клетки создают прочную сотовую структуру, а крошечные древесные волокна прочнее лучших углеродных волокон, говорит ученый-материаловед Лянбин Ху, который возглавляет исследовательскую группу, работающую над прозрачной древесиной в Университете Мэриленда в Колледж-Парке. А с добавлением смолы прозрачная древесина превосходит пластик и стекло: в тестах, измеряющих, насколько легко материалы разрушаются или разрушаются под давлением, прозрачная древесина оказалась примерно в три раза прочнее, чем прозрачные пластики, такие как оргстекло, и примерно в 10 раз прочнее, чем стекло.

«Результаты потрясающие: кусок дерева может быть таким же прочным, как стекло», — говорит Ху, подчеркнув особенности прозрачного дерева в 2023 Ежегодный обзор исследований материалов.

Этот процесс также работает с более толстой древесиной, но вид сквозь это вещество более туманный, поскольку оно рассеивает больше света. В своих первоначальных исследованиях 2016 года Ху и Берглунд обнаружили, что листы заполненных смолой деревянных каркасов толщиной в миллиметр пропускают от 80 до 90 процентов света. По мере того, как толщина приближается к сантиметру, светопропускание падает: группа Берглунда сообщила, что древесина толщиной 3.7 миллиметра (толщина примерно два пенни) пропускает только 40 процентов света.

Тонкий профиль и прочность материала означают, что он может стать отличной альтернативой изделиям, изготовленным из тонких, легко разрушающихся кусков пластика или стекла, таким как экраны для дисплеев. Французская компания Woodoo, например, использует аналогичный процесс удаления лигнина в своих деревянных ширмах, но оставляет немного лигнина для создания другой эстетики цвета. Компания адаптирует свои пригодные для вторичной переработки сенсорные цифровые дисплеи для таких продуктов, как приборные панели автомобилей и рекламные щиты.

Но большинство исследований было сосредоточено на прозрачном дереве как архитектурном элементе, а особенно многообещающим является использование окон, говорит Продьют Дхар, инженер-биохимик из Индийского технологического института Варанаси. Прозрачная древесина является гораздо лучшим изолятором, чем стекло, поэтому она может помочь зданиям сохранить тепло или не допустить его проникновения. Ху и его коллеги также использовали поливиниловый спирт или ПВА — полимер, используемый в клее и упаковке пищевых продуктов — для проникновения в деревянные скелеты, создавая прозрачную древесину, которая проводит тепло со скоростью в пять раз ниже, чем у стекла, команда сообщила в 2019 году в Расширенные функциональные материалы.

И исследователи придумывают другие способы повышения способности древесины удерживать или выделять тепло, что было бы полезно для энергоэффективных зданий. Селин Монтанари, ученый-материаловед из исследовательского института RISE в Швеции, и ее коллеги экспериментировали с материалами с фазовым переходом, которые переходят от накопления к выделению тепла при переходе из твердого состояния в жидкое или наоборот. Например, добавив полиэтиленгликоль, ученые обнаружили, что их древесина может сохранять тепло, когда оно теплое, и выделять тепло при охлаждении. Прикладные материалы и интерфейсы ACS В 2019.

Таким образом, прозрачные деревянные окна будут более прочными и помогут лучше контролировать температуру, чем традиционное стекло, но вид через них будет туманным, больше похожим на матовое стекло, чем на обычное окно. Однако мутность может быть преимуществом, если пользователям нужен рассеянный свет: поскольку более толстая древесина прочная, она может быть частично несущим источником света, говорит Берглунд, потенциально действуя как потолок, который обеспечивает мягкий рассеянный свет в комнате.

Ху и Берглунд продолжают искать способы придать новые свойства прозрачному дереву. Около пяти лет назад Берглунд и его коллеги из KTH и Технологического института Джорджии обнаружили, что могут имитировать умные окна, который может переключаться с прозрачного на тонированный, чтобы блокировать видимость или солнечные лучи. Исследователи поместили электрохромный полимер — вещество, которое может менять цвет под действием электричества — между слоями прозрачного дерева, покрытого электродным полимером для проведения электричества. Это создало деревянная панель, которая меняется от прозрачного до пурпурного, когда пользователи пропускают через него небольшой электрический ток.

Совсем недавно обе группы переключили свое внимание на повышение устойчивости производства прозрачной древесины. Например, смола, используемая для заполнения деревянных лесов, обычно представляет собой пластиковый продукт, полученный из нефти, поэтому лучше избегать ее использования, говорит Монтанари. В качестве замены она и ее коллеги изобрели полимер, полностью изготовленный на биологической основе. полученные из кожуры цитрусовых. Команда впервые объединила акриловую кислоту и лимонен — химическое вещество, полученное из кожуры лимона и апельсина и содержащееся в эфирных маслах. Затем им пропитывали делигнифицированную древесину. Даже с фруктовым наполнителем прозрачная древесина на биологической основе сохранила свои механические и оптические свойства, выдерживая давление примерно на 30 мегапаскалей больше, чем обычная древесина, и пропуская около 90 процентов света, сообщили исследователи в 2021 году в Передовая наука.

Между тем лаборатория Ху недавно сообщила в Наука развивается a более экологичный метод отбеливания лигнина который основан на перекиси водорода и УФ-излучении, что еще больше снижает энергетические потребности производства. Команда обработала кусочки дерева толщиной от 0.5 до 3.5 миллиметров перекисью водорода, а затем оставила их перед УФ-лампами, чтобы имитировать солнечные лучи. УФ-излучение отбелило содержащие пигмент части лигнина, но оставило структурные части нетронутыми, что помогло сохранить древесину большей прочности.

Эти более экологически чистые подходы помогают ограничить количество токсичных химикатов и полимеров на основе ископаемого топлива, используемых в производстве, но на данный момент стекло по-прежнему оказывает меньшее воздействие на окружающую среду в конце срока службы, чем прозрачное дерево, согласно анализу, проведенному Дхаром и его коллегами в Наука всей окружающей среды. По мнению исследователей, внедрение более экологичных схем производства и расширение производства — это два шага, необходимые для вывода прозрачной древесины на основные рынки, но это займет время. Однако они уверены, что это возможно, и верят в его потенциал как устойчивого материала.

«Когда вы пытаетесь добиться устойчивости, вы хотите не только соответствовать свойствам материалов на основе ископаемых», — говорит Монтанари. «Как учёный, я хочу превзойти это».