Γιατί οι επιστήμονες φτιάχνουν διαφανές ξύλο

Αυτό το άρθρο παρουσιάστηκε αρχικά στο


Περιοδικό Knowable

.

Πριν από τριάντα χρόνια, ένας βοτανολόγος στη Γερμανία είχε μια απλή επιθυμία: να δει την εσωτερική λειτουργία των ξυλωδών φυτών χωρίς να τα ανατέμνει. Με τη λεύκανση των χρωστικών στα φυτικά κύτταρα, ο Siegfried Fink τα κατάφερε

δημιουργήστε διάφανο ξύλο

, και δημοσίευσε την τεχνική του σε ένα εξειδικευμένο περιοδικό τεχνολογίας ξύλου. Το έγγραφο του 1992 παρέμεινε η τελευταία λέξη για το διαφανές ξύλο για περισσότερο από μια δεκαετία, μέχρι που ένας ερευνητής ονόματι Lars Berglund το βρήκε.

Η Berglund εμπνεύστηκε την ανακάλυψη του Fink, αλλά όχι για βοτανικούς λόγους. Ο επιστήμονας υλικών, ο οποίος εργάζεται στο Βασιλικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας KTH στη Σουηδία, ειδικεύεται στα σύνθετα πολυμερή και ενδιαφερόταν να δημιουργήσει μια πιο στιβαρή εναλλακτική λύση στο διαφανές πλαστικό. Και δεν ήταν ο μόνος που ενδιαφερόταν για τις αρετές του ξύλου. Στην άλλη άκρη του ωκεανού, οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ ήταν απασχολημένοι με έναν σχετικό στόχο: την αξιοποίηση της αντοχής του ξύλου για μη παραδοσιακούς σκοπούς.

Τώρα, μετά από χρόνια πειραμάτων, η έρευνα αυτών των ομάδων αρχίζει να αποδίδει καρπούς. Το διαφανές ξύλο θα μπορούσε σύντομα να βρει χρήσεις σε εξαιρετικά ισχυρές οθόνες για smartphone. σε μαλακά, λαμπερά φωτιστικά. και ακόμη και ως δομικά χαρακτηριστικά, όπως παράθυρα που αλλάζουν χρώμα.

«Πιστεύω πραγματικά ότι αυτό το υλικό έχει ένα πολλά υποσχόμενο

μέλλον

», λέει ο Qiliang Fu, νανοτεχνολόγος ξύλου στο Πανεπιστήμιο Nanjing Forestry στην Κίνα που εργάστηκε στο εργαστήριο του Berglund ως μεταπτυχιακός φοιτητής.

Το ξύλο αποτελείται από αμέτρητα μικρά κατακόρυφα κανάλια, σαν μια σφιχτή δέσμη από καλαμάκια δεμένα μεταξύ τους με κόλλα. Αυτά τα κύτταρα σε σχήμα σωλήνα μεταφέρουν νερό και θρεπτικά συστατικά παντού

ένα δέντρο

, και όταν το δέντρο μαζεύεται και η υγρασία εξατμίζεται, μένουν πίσω θύλακες αέρα. Για να δημιουργήσουν διαφανές ξύλο, οι επιστήμονες πρέπει πρώτα να τροποποιήσουν ή να απαλλαγούν από την κόλλα, που ονομάζεται λιγνίνη, που συγκρατεί τις δέσμες των κυττάρων μαζί και παρέχει στους κορμούς και τα κλαδιά τις περισσότερες από τις γήινες καφέ αποχρώσεις τους. Αφού αφαιρέσετε το χρώμα της λιγνίνης ή αφαιρέσετε με άλλο τρόπο, παραμένει ένας γαλακτώδες λευκός σκελετός από κοίλα κύτταρα.

Αυτός ο σκελετός είναι ακόμα αδιαφανής, επειδή τα κυτταρικά τοιχώματα κάμπτουν το φως σε διαφορετικό βαθμό από ό,τι ο αέρας στις θήκες των κυττάρων – μια τιμή που ονομάζεται δείκτης διάθλασης. Η πλήρωση των θυλάκων αέρα με μια ουσία όπως η εποξειδική ρητίνη που κάμπτει το φως σε παρόμοιο βαθμό με τα τοιχώματα της κυψέλης καθιστά το ξύλο διαφανές.

Το υλικό με το οποίο εργάστηκαν οι επιστήμονες είναι λεπτό — τυπικά πάχος μικρότερο από ένα χιλιοστό έως περίπου ένα εκατοστό. Αλλά τα κύτταρα δημιουργούν μια στιβαρή δομή κηρήθρας και οι μικροσκοπικές ίνες ξύλου είναι ισχυρότερες από τις καλύτερες ίνες άνθρακα, λέει ο επιστήμονας υλικών Liangbing Hu, ο οποίος ηγείται της ερευνητικής ομάδας που εργάζεται σε διαφανές ξύλο στο Πανεπιστήμιο του Maryland στο College Park. Και με τη ρητίνη που προστίθεται, το διαφανές ξύλο ξεπερνά το πλαστικό και το γυαλί: Σε δοκιμές που μετρούν πόσο εύκολα σπάνε ή σπάνε τα υλικά υπό

πίεση

, το διαφανές ξύλο βγήκε περίπου τρεις φορές πιο δυνατό από τα διαφανή πλαστικά όπως το πλεξιγκλάς και περίπου 10 φορές πιο σκληρό από το γυαλί.

«Τα αποτελέσματα είναι εκπληκτικά, ότι ένα κομμάτι ξύλο μπορεί να είναι τόσο δυνατό όσο το γυαλί», λέει ο Hu, ο οποίος τόνισε την

χαρακτηριστικά διαφανούς ξύλου

το 2023

Ετήσια Επιθεώρηση Έρευνας Υλικών

.

Η διαδικασία λειτουργεί επίσης με παχύτερο ξύλο, αλλά η θέα μέσα από αυτήν την ουσία είναι πιο μουντή επειδή διασκορπίζει περισσότερο φως. Στις αρχικές τους μελέτες από το 2016, ο Hu και ο Berglund ανακάλυψαν και οι δύο ότι τα φύλλα λεπτού χιλιοστού των σκελετών ξύλου γεμάτα ρητίνη αφήνουν το 80 έως 90 τοις εκατό του φωτός. Καθώς το πάχος πλησιάζει το ένα εκατοστό, η διαπερατότητα του φωτός μειώνεται: η ομάδα του Berglund ανέφερε ότι το ξύλο πάχους 3,7 χιλιοστών – περίπου δύο πένες – μετέδιδε μόνο το 40 τοις εκατό του φωτός.

Το λεπτό προφίλ και η αντοχή του υλικού σημαίνει ότι θα μπορούσε να είναι μια εξαιρετική εναλλακτική λύση σε προϊόντα που κατασκευάζονται από λεπτές, εύκολα θρυμματισμένες τομές πλαστικού ή γυαλιού, όπως οθόνες. Η γαλλική εταιρεία Woodoo, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί παρόμοια διαδικασία αφαίρεσης λιγνίνης στις ξύλινες σήτες της, αλλά αφήνει λίγη λιγνίνη για να δημιουργήσει μια διαφορετική χρωματική αισθητική. Η εταιρεία προσαρμόζει τις ανακυκλώσιμες, ευαίσθητες στην αφή ψηφιακές οθόνες της για προϊόντα, όπως ταμπλό αυτοκινήτων και διαφημιστικές πινακίδες.

Αλλά οι περισσότερες έρευνες έχουν επικεντρωθεί στο διαφανές ξύλο ως αρχιτεκτονικό χαρακτηριστικό, με τα παράθυρα να είναι ιδιαίτερα υποσχόμενη χρήση, λέει ο Prodyut Dhar, βιοχημικός μηχανικός στο Ινδικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας Βαρανάσι. Το διαφανές ξύλο είναι πολύ καλύτερος μονωτήρας από το γυαλί, επομένως θα μπορούσε να βοηθήσει τα κτίρια να διατηρήσουν τη θερμότητα ή να την κρατήσουν έξω. Ο Hu και οι συνεργάτες του έχουν χρησιμοποιήσει επίσης πολυβινυλική αλκοόλη ή PVA – ένα πολυμερές που χρησιμοποιείται στην κόλλα και στη συσκευασία τροφίμων – για να διεισδύσει στους ξύλινους σκελετούς, φτιάχνοντας διαφανές ξύλο που μεταφέρει τη θερμότητα με ρυθμό

πέντε φορές χαμηλότερο από αυτό του γυαλιού,

η ομάδα ανέφερε το 2019 σε

Προηγμένα Λειτουργικά Υλικά

.

Και οι ερευνητές έρχονται με άλλες τροποποιήσεις για να αυξήσουν την ικανότητα του ξύλου να συγκρατεί ή να απελευθερώνει θερμότητα, κάτι που θα ήταν χρήσιμο για ενεργειακά αποδοτικά κτίρια. Η Céline Montanari, επιστήμονας υλικών στα Ερευνητικά Ινστιτούτα RISE της Σουηδίας, και οι συνεργάτες της πειραματίστηκαν με υλικά αλλαγής φάσης, τα οποία μετατρέπονται από την αποθήκευση στην απελευθέρωση θερμότητας όταν αλλάζουν από στερεό σε υγρό ή αντίστροφα. Με την ενσωμάτωση πολυαιθυλενογλυκόλης, για παράδειγμα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι το ξύλο τους μπορούσε να αποθηκεύσει θερμότητα όταν ήταν ζεστό και να απελευθερώσει θερμότητα καθώς ψύχθηκε, εργασία που δημοσίευσαν στο

Εφαρμοσμένα υλικά και διεπαφές ACS

Το 2019.

Τα διαφανή ξύλινα παράθυρα θα ήταν επομένως ισχυρότερα και θα βοηθούσαν στον έλεγχο της θερμοκρασίας καλύτερα από το παραδοσιακό γυαλί, αλλά η θέα μέσα από αυτά θα ήταν θολή, πιο παρόμοια με παγωμένο γυαλί από ένα κανονικό παράθυρο. Ωστόσο, η θολότητα θα μπορούσε να είναι ένα πλεονέκτημα εάν οι χρήστες θέλουν διάχυτο φως: Δεδομένου ότι το παχύτερο ξύλο είναι ισχυρό, θα μπορούσε να είναι μια μερικώς φέρουσα πηγή φωτός, λέει ο Berglund, δυνητικά ενεργώντας ως οροφή που παρέχει απαλό, ατμοσφαιρικό φως σε ένα δωμάτιο.

Ο Hu και ο Berglund συνέχισαν να παίζουν με τρόπους για να προσδώσουν νέες ιδιότητες στο διαφανές ξύλο. Πριν από περίπου πέντε χρόνια, ο Berglund και οι συνεργάτες του στο KTH και το Georgia Institute of Technology ανακάλυψαν ότι μπορούσαν να μιμηθούν

έξυπνα παράθυρα

, το οποίο μπορεί να αλλάξει από διαφανές σε φιμέ για να εμποδίσει την ορατότητα ή τις ακτίνες του Ήλιου. Οι ερευνητές τοποθέτησαν ένα ηλεκτροχρωμικό πολυμερές – μια ουσία που μπορεί να αλλάξει χρώμα με ηλεκτρισμό – ανάμεσα σε στρώματα διαφανούς ξύλου επικαλυμμένα με ένα πολυμερές ηλεκτροδίου για να μεταφέρει ηλεκτρισμό. Αυτό δημιούργησε

ένα τζάμι από ξύλο που αλλάζει

από καθαρό σε ματζέντα όταν οι χρήστες

περνούν

ένα μικρό ηλεκτρικό

ρεύμα

μέσα από αυτό.

Πιο πρόσφατα, οι δύο ομάδες έχουν στρέψει την προσοχή τους στη βελτίωση της βιωσιμότητας της παραγωγής διαφανούς ξύλου. Για παράδειγμα, η ρητίνη που χρησιμοποιείται για την πλήρωση των ξύλινων σκαλωσιών είναι συνήθως ένα πλαστικό προϊόν που προέρχεται από πετρέλαιο, επομένως είναι καλύτερα να αποφύγετε τη χρήση της, λέει ο Montanari. Ως αντικατάσταση, αυτή και οι συνεργάτες της εφηύραν ένα πολυμερές πλήρως βιολογικής βάσης,

που προέρχονται από φλούδες εσπεριδοειδών.

Η ομάδα συνδύασε αρχικά ακρυλικό οξύ και λιμονένιο, μια χημική ουσία που εξάγεται από φλούδες λεμονιού και πορτοκαλιού που βρίσκεται στα αιθέρια έλαια. Έπειτα εμπότισαν με αυτό απολινιωμένο ξύλο. Ακόμη και με φρουτώδη γέμιση, το διαφανές ξύλο βιολογικής βάσης διατήρησε τις μηχανικές και οπτικές του ιδιότητες, αντέχοντας περίπου 30 megapascals πίεση περισσότερο από το κανονικό ξύλο και μεταδίδοντας περίπου το 90 τοις εκατό του φωτός, ανέφεραν οι ερευνητές το 2021 στο

Προηγμένη Επιστήμη

.

Το εργαστήριο του Hu, εν τω μεταξύ, αναφέρθηκε πρόσφατα

Προόδους της Επιστήμης

ένα

πιο πράσινη μέθοδος λεύκανσης λιγνίνης

που βασίζεται στο υπεροξείδιο του υδρογόνου και την υπεριώδη ακτινοβολία, μειώνοντας περαιτέρω τις ενεργειακές απαιτήσεις της παραγωγής. Η ομάδα βούρτσισε φέτες ξύλου με πάχος από περίπου 0,5 έως 3,5 χιλιοστά με υπεροξείδιο του υδρογόνου και στη συνέχεια τις άφησε μπροστά από λάμπες UV για να μιμηθούν τις ακτίνες του Ήλιου. Η υπεριώδης ακτινοβολία απομάκρυνε τα μέρη της λιγνίνης που περιέχουν χρωστική ουσία, αλλά άφησε τα δομικά μέρη ανέπαφα, βοηθώντας έτσι στη διατήρηση μεγαλύτερης αντοχής στο ξύλο.

Αυτές οι πιο φιλικές προς το περιβάλλον προσεγγίσεις συμβάλλουν στον περιορισμό της ποσότητας τοξικών χημικών ουσιών και πολυμερών με βάση τα ορυκτά που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή, αλλά προς το παρόν, το γυαλί εξακολουθεί να έχει χαμηλότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις στο τέλος της ζωής του από το διαφανές ξύλο, σύμφωνα με ανάλυση των Dhar και συνεργατών στο

Επιστήμη του Συνολικού Περιβάλλοντος

. Η υιοθέτηση πιο πράσινων προγραμμάτων παραγωγής και η κλιμάκωση της παραγωγής είναι δύο βήματα απαραίτητα για την προσθήκη διαφανούς ξύλου στις κύριες αγορές, λένε οι ερευνητές, αλλά θα χρειαστεί χρόνος. Ωστόσο, είναι βέβαιοι ότι μπορεί να γίνει και πιστεύουν στις δυνατότητές του ως βιώσιμο υλικό.

«Όταν προσπαθείτε να επιτύχετε βιωσιμότητα, δεν θέλετε μόνο να ταιριάξετε τις ιδιότητες των υλικών με βάση τα ορυκτά», λέει ο Montanari. «Ως επιστήμονας, θέλω να το ξεπεράσω».

Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε αρχικά στο

Περιοδικό Knowable

, μια ανεξάρτητη δημοσιογραφική προσπάθεια από την Annual

Reviews

. Εγγραφείτε για το

ενημερωτικό δελτίο

.