Mengapa Para Ilmuwan Membuat Kayu Transparan

Berglund terinspirasi oleh penemuan Fink, tetapi bukan karena alasan botani. Ilmuwan material, yang bekerja di KTH Royal Institute of Technology di Swedia, berspesialisasi dalam komposit polimer dan tertarik untuk menciptakan alternatif yang lebih kuat daripada plastik transparan. Dan dia bukan satu-satunya yang tertarik pada manfaat kayu. Di seberang lautan, para peneliti di Universitas Maryland sibuk dengan tujuan serupa: memanfaatkan kekuatan kayu untuk tujuan non-tradisional.

Kini, setelah percobaan bertahun-tahun, penelitian kelompok-kelompok ini mulai membuahkan hasil. Kayu transparan akan segera digunakan pada layar super kuat untuk ponsel pintar; dalam perlengkapan lampu yang lembut dan bersinar; dan bahkan sebagai fitur struktural, seperti jendela yang dapat berubah warna.

“Saya sangat yakin bahan ini memiliki masa depan yang menjanjikan,” kata Qiliang Fu, ahli nanoteknologi kayu di Universitas Kehutanan Nanjing di Tiongkok yang bekerja di laboratorium Berglund sebagai mahasiswa pascasarjana.

Kayu terdiri dari saluran-saluran vertikal kecil yang tak terhitung jumlahnya, seperti seikat jerami yang diikat dengan lem. Sel berbentuk tabung ini mengangkut air dan nutrisi ke seluruh tubuh pohon, dan saat pohon dipanen dan kelembapannya menguap, kantong udara akan tertinggal. Untuk membuat kayu tembus pandang, pertama-tama para ilmuwan perlu memodifikasi atau menghilangkan lem, yang disebut lignin, yang menyatukan kumpulan sel dan memberikan sebagian besar warna coklat tanah pada batang dan cabang. Setelah warna lignin diputihkan atau dihilangkan, kerangka sel berongga berwarna putih susu tetap ada.

Kerangka ini masih buram, karena dinding sel membelokkan cahaya ke tingkat yang berbeda dibandingkan udara di dalam kantong sel—nilai yang disebut indeks bias. Mengisi kantong udara dengan zat seperti resin epoksi yang membelokkan cahaya hingga tingkat yang sama dengan dinding sel membuat kayu menjadi transparan.

Bahan yang digunakan para ilmuwan sangatlah tipis—biasanya tebalnya kurang dari satu milimeter hingga sekitar satu sentimeter. Namun sel-selnya menciptakan struktur sarang lebah yang kokoh, dan serat kayu kecilnya lebih kuat daripada serat karbon terbaik, kata ilmuwan material Liangbing Hu, yang memimpin kelompok penelitian yang mengerjakan kayu transparan di Universitas Maryland di College Park. Dan dengan tambahan resin, kayu transparan mengungguli plastik dan kaca: Dalam pengujian yang mengukur seberapa mudah material patah atau pecah di bawah tekanan, kayu transparan menghasilkan sekitar tiga kali lebih kuat dari plastik transparan seperti kaca Plexiglass dan sekitar 10 kali lebih keras dari kaca.

“Hasilnya luar biasa, sepotong kayu bisa sekuat kaca,” kata Hu, yang menyoroti hal tersebut fitur kayu transparan di 2023 Review Tahunan Penelitian Material.

Proses ini juga dapat dilakukan pada kayu yang lebih tebal namun pandangan melalui bahan tersebut lebih kabur karena menghamburkan lebih banyak cahaya. Dalam penelitian awal mereka pada tahun 2016, Hu dan Berglund menemukan bahwa lembaran kerangka kayu berisi resin setipis milimeter dapat menembus 80 hingga 90 persen cahaya. Ketika ketebalannya semakin mendekati satu sentimeter, transmisi cahaya menurun: kelompok Berglund melaporkan bahwa kayu setebal 3.7 milimeter—tebalnya kira-kira dua sen—hanya mentransmisikan 40 persen cahaya.

Profilnya yang ramping dan kekuatan bahannya berarti bahan ini bisa menjadi alternatif yang bagus untuk produk yang terbuat dari potongan plastik atau kaca yang tipis dan mudah pecah, seperti layar tampilan. Perusahaan Perancis Woodoo, misalnya, menggunakan proses penghilangan lignin serupa pada layar kayunya, namun menyisakan sedikit lignin untuk menciptakan estetika warna yang berbeda. Perusahaan ini merancang tampilan digital yang dapat didaur ulang dan peka terhadap sentuhan untuk produk-produk termasuk dasbor mobil dan papan reklame iklan.

Namun sebagian besar penelitian berpusat pada kayu transparan sebagai fitur arsitektur, dengan penggunaan jendela yang sangat menjanjikan, kata Prodyut Dhar, insinyur biokimia di Institut Teknologi India Varanasi. Kayu transparan merupakan isolator yang jauh lebih baik daripada kaca, sehingga dapat membantu bangunan menahan atau menahan panas. Hu dan rekannya juga menggunakan polivinil alkohol, atau PVA—polimer yang digunakan dalam lem dan kemasan makanan—untuk menyusup ke kerangka kayu, membuat kayu transparan yang menghantarkan panas dengan kecepatan tinggi. lima kali lebih rendah dari kaca, tim melaporkan pada tahun 2019 di Materi Fungsional Tingkat Lanjut.

Dan para peneliti menemukan perubahan lain untuk meningkatkan kemampuan kayu dalam menahan atau melepaskan panas, yang akan berguna untuk bangunan hemat energi. Céline Montanari, seorang ilmuwan material di RISE Research Institutes of Sweden, dan rekannya bereksperimen dengan material yang berubah fasa, yang berubah dari menyimpan menjadi melepaskan panas ketika berubah dari padat menjadi cair, atau sebaliknya. Dengan menggabungkan polietilen glikol, misalnya, para ilmuwan menemukan bahwa kayu mereka dapat menyimpan panas saat hangat dan melepaskan panas saat mendingin, hasil penelitian yang mereka terbitkan di Bahan dan Antarmuka Terapan ACS Di 2019

Oleh karena itu, jendela kayu transparan akan lebih kuat dan membantu pengendalian suhu lebih baik dibandingkan kaca tradisional, namun pemandangan melalui jendela tersebut akan kabur, lebih mirip dengan kaca buram dibandingkan jendela biasa. Namun, kekaburan bisa menjadi keuntungan jika pengguna menginginkan cahaya yang menyebar: Karena kayu yang lebih tebal kuat, maka kayu tersebut bisa menjadi sumber cahaya yang menahan sebagian beban, kata Berglund, yang berpotensi bertindak sebagai langit-langit yang memberikan cahaya lembut dan ambien ke sebuah ruangan.

Hu dan Berglund terus mencari cara untuk memberikan sifat baru pada kayu transparan. Sekitar lima tahun lalu, Berglund dan rekannya di KTH dan Georgia Institute of Technology menemukan bahwa mereka bisa meniru jendela pintar, yang dapat berubah dari transparan menjadi berwarna untuk menghalangi visibilitas atau sinar matahari. Para peneliti mengapit polimer elektrokromik—zat yang dapat berubah warna jika terkena listrik—di antara lapisan kayu transparan yang dilapisi polimer elektroda untuk menghantarkan listrik. Ini tercipta panel kayu yang berubah dari bening menjadi magenta ketika pengguna mengalirkan arus listrik kecil melaluinya.

Baru-baru ini, kedua kelompok tersebut telah mengalihkan perhatian mereka untuk meningkatkan keberlanjutan produksi kayu transparan. Misalnya, resin yang digunakan untuk mengisi perancah kayu biasanya merupakan produk plastik yang berasal dari minyak bumi, jadi sebaiknya hindari penggunaannya, kata Montanari. Sebagai penggantinya, dia dan rekannya menemukan polimer yang sepenuhnya berbasis bio, berasal dari kulit jeruk. Tim pertama kali menggabungkan asam akrilat dan limonene, bahan kimia yang diekstrak dari kulit lemon dan jeruk yang ditemukan dalam minyak esensial. Kemudian mereka menghamili kayu delignifikasi dengan itu. Bahkan dengan isian buah-buahan, kayu transparan berbahan dasar bio ini tetap mempertahankan sifat mekanik dan optiknya, tahan terhadap tekanan sekitar 30 megapascal lebih tinggi dibandingkan kayu biasa dan mentransmisikan sekitar 90 persen cahaya, para peneliti melaporkan pada tahun 2021 di Ilmu Pengetahuan Lanjut.

Sementara itu, laboratorium Hu baru-baru ini melaporkan hal tersebut Kemajuan ilmu pengetahuan a metode pemutihan lignin yang lebih ramah lingkungan yang mengandalkan hidrogen peroksida dan radiasi UV, sehingga semakin mengurangi kebutuhan energi produksi. Tim mengoles irisan kayu dengan ketebalan sekitar 0.5 hingga 3.5 milimeter dengan hidrogen peroksida, lalu meninggalkannya di depan lampu UV untuk meniru sinar matahari. UV memutihkan bagian lignin yang mengandung pigmen tetapi membiarkan bagian struktural tetap utuh, sehingga membantu mempertahankan lebih banyak kekuatan pada kayu.

Pendekatan yang lebih ramah lingkungan ini membantu membatasi jumlah bahan kimia beracun dan polimer berbasis fosil yang digunakan dalam produksi, namun untuk saat ini, kaca masih memiliki dampak lingkungan pada akhir masa pakainya yang lebih rendah dibandingkan kayu transparan, menurut analisis yang dilakukan Dhar dan rekannya di Ilmu Total Lingkungan. Menerapkan skema produksi yang lebih ramah lingkungan dan meningkatkan produksi adalah dua langkah yang diperlukan untuk menambahkan kayu transparan ke pasar umum, kata para peneliti, namun hal ini memerlukan waktu. Namun mereka yakin hal tersebut dapat dilakukan dan percaya akan potensinya sebagai bahan yang berkelanjutan.

“Saat Anda mencoba mencapai keberlanjutan, Anda tidak hanya ingin mencocokkan sifat bahan berbasis fosil,” kata Montanari. “Sebagai seorang ilmuwan, saya ingin melampaui hal ini.”