Miks teadlased teevad läbipaistvat puitu?

Berglund oli inspireeritud Finki avastusest, kuid mitte botaanilistel põhjustel. Materjaliteadlane, kes töötab Rootsis KTH Kuninglikus Tehnoloogiainstituudis, on spetsialiseerunud polümeerkomposiitidele ja oli huvitatud läbipaistva plastiku jaoks tugevama alternatiivi loomisest. Ja ta polnud ainus, kes puidu voorustest huvitatud oli. Teisel pool ookeani tegelesid Marylandi ülikooli teadlased sellega seotud eesmärgiga: puidu tugevuse ärakasutamine ebatraditsioonilistel eesmärkidel.

Nüüd, pärast aastaid kestnud katseid, hakkab nende rühmade uurimistöö vilja kandma. Läbipaistev puit võiks peagi leida kasutust nutitelefonide ülitugevates ekraanides; pehmetes, helendavates valgustites; ja isegi struktuurielementidena, nagu värvimuutvad aknad.

"Usun tõesti, et sellel materjalil on paljutõotav tulevik," ütleb Hiina Nanjingi metsandusülikooli puidunanotehnoloog Qiliang Fu, kes töötas Berglundi laboris magistrandina.

Puit koosneb lugematutest väikestest vertikaalsetest kanalitest, nagu tihe õlgede kimp, mis on kokku seotud liimiga. Need torukujulised rakud transpordivad vett ja toitaineid kõikjal puu, ja kui puu on koristatud ja niiskus aurustub, jäävad õhutaskud maha. Läbipaistva puidu loomiseks peavad teadlased esmalt modifitseerima või sellest vabanema liimi, mida nimetatakse ligniiniks, mis hoiab rakukimpusid koos ning annab tüvedele ja okstele suurema osa nende maalähedasest pruunist toonist. Pärast ligniini värvi pleegitamist või muul viisil eemaldamist jääb piimvalge õõnsate rakkude skelett.

See skelett on endiselt läbipaistmatu, kuna rakuseinad painutavad valgust erineval määral kui raku taskutes olev õhk – seda väärtust nimetatakse murdumisnäitajaks. Õhutaskute täitmine ainega nagu epoksüvaik, mis painutab valgust rakuseintega sarnasel määral, muudab puidu läbipaistvaks.

Materjal, millega teadlased töötasid, on õhuke – tavaliselt alla millimeetri kuni umbes sentimeetri paksune. Kuid rakud loovad tugeva kärgstruktuuri ja väikesed puidukiud on tugevamad kui parimad süsinikkiud, ütleb materjaliteadlane Liangbing Hu, kes juhib läbipaistva puidu uurimisrühma Marylandi ülikoolis College Parkis. Ja vaigu lisamisega ületab läbipaistev puit plastikut ja klaasi: Katsetes, milles mõõdeti, kui kergesti materjalid surve all purunevad või purunevad, tuli läbipaistev puit umbes kolm korda tugevam kui läbipaistev plast, nagu pleksiklaas, ja umbes 10 korda tugevam kui klaas.

"Tulemused on hämmastavad, et puutükk võib olla sama tugev kui klaas," ütleb Hu, kes tõi esile läbipaistva puidu omadused 2023is Materjaliuuringute aastaülevaade.

Protsess töötab ka paksema puiduga, kuid vaade läbi selle aine on hägusem, kuna see hajutab rohkem valgust. Oma esialgsetes 2016. aasta uuringutes leidsid Hu ja Berglund mõlemad, et vaiguga täidetud puitskeleti millimeetri õhukesed lehed lasevad läbi 80–90 protsenti valgust. Kui paksus läheneb sentimeetrile, valguse läbilaskvus langeb: Berglundi rühm teatas, et 3.7 millimeetri paksune puit – ligikaudu kaks penni – läbis ainult 40 protsenti valgusest.

Materjali õhuke profiil ja tugevus tähendab, et see võib olla suurepärane alternatiiv toodetele, mis on valmistatud õhukestest, kergesti purunevatest plasti- või klaasilõigetest, nagu näiteks ekraanid. Näiteks Prantsuse ettevõte Woodoo kasutab oma puitekraanidel sarnast ligniini eemaldamise protsessi, kuid jätab veidi ligniini, et luua teistsugune värviesteetika. Ettevõte kohandab oma taaskasutatavaid puutetundlikke digitaalseid ekraane selliste toodete jaoks nagu autode armatuurlauad ja reklaamtahvlid.

Kuid enamik uuringuid on keskendunud läbipaistvale puidule kui arhitektuurilisele tunnusele, kusjuures aknad on eriti paljulubavad, ütleb Varanasi India Tehnoloogiainstituudi biokeemiainsener Prodyut Dhar. Läbipaistev puit on palju parem isolaator kui klaas, nii et see võib aidata hoonetel soojust säilitada või seda eemal hoida. Hu ja tema kolleegid on kasutanud ka polüvinüülalkoholi ehk PVA-d – liimi- ja toidupakendites kasutatavat polümeeri –, et tungida puiduskelettidesse, muutes läbipaistva puidu, mis juhib soojust kiirusega. viis korda madalam kui klaasil, meeskond teatas 2019. aastal Täiustatud funktsionaalsed materjalid.

Ja teadlased pakuvad muid näpunäiteid, et suurendada puidu võimet hoida või eraldada soojust, mis oleks kasulikud energiatõhusate hoonete jaoks. Rootsi RISE uurimisinstituutide materjaliteadlane Céline Montanari ja tema kolleegid katsetasid faasimuutusmaterjalidega, mis muutuvad tahkest olekust vedelaks muutudes hoiustamise asemel soojuse eraldamiseks või vastupidi. Näiteks polüetüleenglükooli lisamisega avastasid teadlased, et nende puit suudab soojana säilitada soojust ja jahutades soojust eraldada. ACSi rakendatud materjalid ja liidesed 2019is.

Läbipaistvad puitaknad oleksid seega tugevamad ja aitaksid paremini temperatuuri reguleerida kui traditsiooniline klaas, kuid vaade läbi nende oleks udune, sarnanedes rohkem mattklaasiga kui tavalisest aknast. Hägusus võib aga olla eeliseks, kui kasutajad soovivad hajutatud valgust: kuna paksem puit on tugev, võib see olla osaliselt kandev valgusallikas, ütleb Berglund, mis võib toimida laena, mis annab ruumi pehmet ümbritsevat valgust.

Hu ja Berglund on jätkuvalt mänginud viisidega, kuidas anda läbipaistvale puidule uusi omadusi. Umbes viis aastat tagasi leidsid Berglund ja kolleegid KTH-st ja Georgia Tehnoloogiainstituudist, et nad suudavad jäljendada nutikad aknad, mis võib lülituda läbipaistvast toonitud vastu, et blokeerida nähtavus või päikesekiired. Teadlased panid läbipaistva puidu kihtide vahele elektrokroomse polümeeri – aine, mis võib elektri toimel värvi muuta –, mis on kaetud elektrit juhtiva elektroodpolümeeriga. See lõi puitplaat, mis muutub läbipaistvast magentani, kui kasutajad juhivad selle läbi väikese elektrivoolu.

Viimasel ajal on need kaks rühma pööranud tähelepanu läbipaistva puidutootmise jätkusuutlikkuse parandamisele. Näiteks puittellingute täitmiseks kasutatav vaik on tavaliselt naftast saadud plasttoode, seega on parem selle kasutamist vältida, ütleb Montanari. Selle asemel leiutas ta koos kolleegidega täielikult biopõhise polümeeri, saadud tsitruseliste koortest. Meeskond ühendas esmalt akrüülhappe ja limoneeni, sidruni- ja apelsinikoortest ekstraheeritud kemikaali, mida leidub eeterlikes õlides. Seejärel immutati sellega delignifitseeritud puitu. Isegi puuviljase täidisega säilitas biopõhine läbipaistev puit oma mehaanilised ja optilised omadused, taludes umbes 30 megapaskalit rohkem rõhku kui tavaline puit ja läbides umbes 90 protsenti valgust, teatasid teadlased 2021. Täiustatud teadus.

Vahepeal teatas Hu labor hiljuti Teadus ettemaksed a rohelisem ligniini pleegitamise meetod mis toetub vesinikperoksiidile ja UV-kiirgusele, vähendades veelgi tootmise energiavajadust. Meeskond harjas umbes 0.5–3.5 millimeetri paksuseid puiduviilusid vesinikperoksiidiga ja jättis need siis UV-lampide ette, et jäljendada päikesekiiri. UV pleegitas ära ligniini pigmenti sisaldavad osad, kuid jättis konstruktsiooniosad puutumata, aidates seega säilitada puidus rohkem tugevust.

Need keskkonnasõbralikumad lähenemisviisid aitavad piirata tootmises kasutatavate mürgiste kemikaalide ja fossiilpõhiste polümeeride hulka, kuid Dhari ja tema kolleegide analüüsi kohaselt on klaasil endiselt väiksem keskkonnamõju kasutusea lõppemisel kui läbipaistval puidul. Kogukeskkonna teadus. Teadlaste sõnul on rohelisemate tootmisskeemide omaksvõtmine ja tootmise suurendamine kaks sammu, mis on vajalikud läbipaistva puidu lisamiseks tavaturgudele, kuid see võtab aega. Siiski on nad kindlad, et seda saab teha ja usuvad selle potentsiaali jätkusuutliku materjalina.

"Kui proovite saavutada jätkusuutlikkust, ei taha te sobitada ainult fossiilpõhiste materjalide omadusi, " ütleb Montanari. "Teadlasena tahan seda ületada."