Почему ученые создают прозрачную древесину? | Технологии

30 лет назад у немецкого ботаника было простое желание: увидеть внутреннее устройство древесных растений, не расчленяя их. Зигфрид Финк получил создать прозрачное дерево отбеливая пигменты растительных клеток и опубликовал свою методику в журнале, специализирующемся на технологии обработки древесины. Статья 1992 года была последним словом о прозрачной древесине на протяжении более десяти лет, пока на нее не наткнулся исследователь по имени Ларс Берглунд.

Берглунд был вдохновлен открытием Финка, но не по ботаническим причинам. Ученый-материаловед, работающий в шведском Королевском технологическом институте KTH, специализировался 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 схожей целью: использовать силу древесины для нетрадиционных целей.

Теперь, после многих лет экспериментов, исследования этих групп начинают приносить плоды. Прозрачное дерево вскоре можно будет использовать в сверхпрочных экранах смартфонов, лампах мягкого света и даже в структурных элементах, 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 тугой пучок или связку соломинок, скрепленных клеем. Эти трубчатые клетки переносят воду и питательные вещества по всему дереву, и когда дерево срубают и влага испаряется, остаются воздушные карманы. Чтобы создать прозрачную древесину, ученым сначала придется модифицировать или удалить клей, называемый лигнином, который скрепляет пучки клеток и придает стволам и ветвям большую часть их землистых коричневых тонов. После обесцвечивания цвета лигнина или его удаления остается молочно-белый скелет из полых клеток.

Этот скелет остается непрозрачным, поскольку стенки клеток преломляют свет иначе, чем воздух в полостях клеток, и эта величина называется показателем преломления. Заполнив воздушные карманы таким веществом, как эпоксидная смола, которая преломляет свет в той же степени, что и стенки ячеек, древесина становится прозрачной.

Материал, с которым работали ученые, тонкий: обычно толщиной от миллиметра до сантиметра. Но ячейки создают прочную сотовую структуру, а крошечные древесные волокна прочнее лучших углеродных волокон, говорит ученый-материаловед Лянбин Ху, возглавляющий группу по исследованию прозрачной древесины в Университете Мэриленда в Колледж-Парке. А с добавлением смолы прозрачное дерево превосходит пластик и стекло: в тестах, которые измеряют, насколько легко материалы разрушаются или ломаются под давлением, чистое дерево оказалось примерно в три раза прочнее, чем прозрачные пластики, такие как стекло. оргстекла и примерно в 10 раз больше стекла.

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

Этот процесс также работает с более толстой древесиной, но зрение через это вещество становится более размытым, поскольку оно рассеивает больше света. В своих первоначальных исследованиях 2016 года Ху и Берглунд обнаружили, что миллиметровые листы деревянных каркасов, наполненных смолой, пропускают от 80 до 90 процентов света. Когда толщина приближается к одному сантиметру, прохождение света уменьшается: группа Берглунда сообщила, что древесина толщиной 3,7 миллиметра — примерно толщина двух пятицентовых монет — пропускает только свет. 40% света.

Тонкий профиль и прочность материала означают, что он может стать отличной альтернативой изделиям, изготовленным из тонких, легко ломающихся кусков пластика или стекла, например экранам дисплеев. Французская компания Woodoo, например, использует аналогичный процесс удаления лигнина на своих деревянных ситах, 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 прозрачной древесине как на архитектурном элементе, причем окна являются особенно многообещающим применением, говорит Продьют Дхар, инженер-биохимик из Индийского технологического института в 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 клеях и упаковке пищевых продуктов — для проникновения в деревянные скелеты, создавая прозрачную древесину, которая проводит тепло с большей скоростью. в пять раз меньше, чем у стекла, команда сообщила в 2019 году в Передовые функциональные материалы.

И исследователи придумывают другие способы повышения способности древесины сохранять 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 хранения к выделению тепла при переходе из твердого состояния в жидкое или наоборот. Например, добавив полиэтиленгликоль, ученые обнаружили, что их древесина может сохранять тепло в горячем состоянии и выделять тепло при охлаждении. Прикладные материалы и интерфейсы ACS в 2019 году.

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 туманность может быть преимуществом, если пользователям нужен рассеянный свет: поскольку древесина толще и прочнее, она может быть источником света, который, в свою очередь, выдерживает часть веса здания, например, крыша, которая будет обеспечивать мягкий свет для здания. «комната», — говорит Берглунд.

Ху и Берглунд продолжают экспериментировать со способами придания новых свойств прозрачному дереву. Около пяти лет назад Берглунд и его коллеги из KTH и Технологического института Джорджии обнаружили, что они могут имитировать умные окна, который может меняться от прозрачного до тонированного, 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. Вот как это было создано меняющаяся деревянная панель от прозрачного до пурпурного, когда пользователи пропускают через него небольшой электрический ток.

Совсем недавно обе группы сосредоточили свое внимание на повышении 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. Вместо этого она и ее коллеги изобрели полностью биологический полимер. 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% света, сообщили исследователи в 2021 году в Передовая наука.

Лаборатория Ху, со своей стороны, только что опубликовала в Достижения науки и Более экологичный метод отбеливания лигнина на основе перекиси водорода и УФ-излучения, что еще больше снижает энергоемкость производства. Команда обработала куски дерева толщиной от 0,5 до 3,5 миллиметров перекисью водорода, а затем подержала их перед УФ-лампами, чтобы имитировать солнечные лучи. УФ-лучи обесцвечивали части лигнина, содержащие пигменты, но оставили структурные части неповрежденными, что помогло сохранить большую прочность древесины.

Эти более экологически чистые подходы помогают ограничить количество токсичных химикатов и ископаемых полимеров, используемых в производстве, но на данный момент стекло по-прежнему оказывает меньшее воздействие на окружающую среду в конце своего срока службы, чем прозрачное дерево, согласно анализу де Дхара и его коллег, проведенного в Наука об общей окружающей среде. По мнению исследователей, внедрение более экологически чистых производственных систем и расширение производства — это два необходимых шага для вывода прозрачной древесины на основные рынки, но это займет время. Однако они верят, что это возможно, и верят в его потенциал как устойчивого материала.

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

Статью перевел Дебби Пончнер.

Эта статья первоначально появилась на Знающий на испанском языкенекоммерческое издание, призванное сделать научные знания доступными каждому.

Вы можете следить МАТЕРИЯ в Фейсбук, Икс е Инстаграмнажмите здесь, чтобы получить наш еженедельный информационный бюллетень.