Varför forskare gör transparent trä

Berglund inspirerades av Finks upptäckt, men inte av botaniska skäl. Materialvetaren, som arbetar vid Kungliga Tekniska Högskolan i Sverige, är specialiserad på polymerkompositer och var intresserad av att skapa ett mer robust alternativ till transparent plast. Och han var inte den enda som var intresserad av träets dygder. På andra sidan havet var forskare vid University of Maryland upptagna med ett relaterat mål: att utnyttja träets styrka för otraditionella ändamål.

Nu, efter år av experiment, börjar dessa gruppers forskning ge frukt. Transparent trä kan snart hitta användningsområden i superstarka skärmar för smartphones; i mjuka, glödande armaturer; och även som strukturella funktioner, såsom färgskiftande fönster.

"Jag tror verkligen att det här materialet har en lovande framtid", säger Qiliang Fu, en tränanoteknolog vid Nanjing Forestry University i Kina som arbetade i Berglunds labb som doktorand.

Trä är uppbyggt av otaliga små vertikala kanaler, som ett tätt knippe av strån sammanbundna med lim. Dessa rörformade celler transporterar vatten och näringsämnen genomgående ett träd, och när trädet skördas och fukten avdunstar lämnas luftfickor kvar. För att skapa genomskinligt trä måste forskare först modifiera eller bli av med limet, som kallas lignin, som håller ihop cellbuntarna och förser stammar och grenar med de flesta av sina jordnära bruna nyanser. Efter att ha blekt bort lignins färg eller på annat sätt tagit bort den, finns ett mjölkvitt skelett av ihåliga celler kvar.

Detta skelett är fortfarande ogenomskinligt, eftersom cellväggarna böjer ljus i en annan grad än luften i cellfickorna gör – ett värde som kallas ett brytningsindex. Att fylla luftfickorna med ett ämne som epoxiharts som böjer ljus i liknande grad mot cellväggarna gör träet genomskinligt.

Materialet som forskarna arbetade med är tunt - vanligtvis mindre än en millimeter till cirka en centimeter tjockt. Men cellerna skapar en robust bikakestruktur, och de små träfibrerna är starkare än de bästa kolfibrerna, säger materialforskaren Liangbing Hu, som leder forskargruppen som arbetar med transparent trä vid University of Maryland i College Park. Och med hartset tillsatt överträffar transparent trä plast och glas: I tester som mäter hur lätt material spricker eller går sönder under tryck, kom genomskinligt trä ut cirka tre gånger starkare än transparent plast som plexiglas och cirka 10 gånger segare än glas.

"Resultaten är fantastiska, att en träbit kan vara lika stark som glas", säger Hu, som lyfte fram det egenskaper hos transparent trä i 2023 Årlig översyn av materialforskning.

Processen fungerar också med tjockare trä men sikten genom det ämnet är grumligare eftersom det sprider mer ljus. I sina ursprungliga studier från 2016 fann Hu och Berglund båda att millimetertunna skivor av de hartsfyllda träskeletten släppte igenom 80 till 90 procent av ljuset. När tjockleken blir närmare en centimeter sjunker ljustransmittansen: Berglunds grupp rapporterade att 3.7 millimeter tjockt trä - ungefär två öre tjockt - bara överförde 40 procent av ljuset.

Materialets slanka profil och styrka gör att det kan vara ett bra alternativ till produkter tillverkade av tunna, lätt krossade snitt av plast eller glas, såsom bildskärmar. Det franska företaget Woodoo, till exempel, använder en liknande ligninborttagningsprocess i sina träskärmar, men lämnar lite lignin för att skapa en annan färgestetik. Företaget skräddarsyr sina återvinningsbara, beröringskänsliga digitala displayer för produkter inklusive bilinstrumentbrädor och reklamskyltar.

Men den mesta forskningen har fokuserat på transparent trä som en arkitektonisk egenskap, med fönster som är särskilt lovande, säger Prodyut Dhar, en biokemisk ingenjör vid Indian Institute of Technology Varanasi. Transparent trä är en mycket bättre isolator än glas, så det kan hjälpa byggnader att behålla värmen eller hålla den ute. Hu och kollegor har också använt polyvinylalkohol, eller PVA - en polymer som används i lim och livsmedelsförpackningar - för att infiltrera träskeletten, vilket gör transparent trä som leder värme i en hastighet fem gånger lägre än glas, laget rapporterade 2019 i Avancerade funktionella material.

Och forskare kommer med andra justeringar för att öka träets förmåga att hålla eller avge värme, vilket skulle vara användbart för energieffektiva byggnader. Céline Montanari, materialvetare vid RISE Research Institutes of Sweden, och kollegor experimenterade med fasförändringsmaterial, som växlar från att lagra till att frigöra värme när de ändras från fast till flytande, eller vice versa. Genom att inkorporera polyetylenglykol, till exempel, fann forskarna att deras trä kunde lagra värme när det var varmt och avge värme när det svalnade, arbete de publicerade i ACS tillämpade material och gränssnitt I 2019.

Transparenta träfönster skulle därför vara starkare och hjälpa till med temperaturkontroll bättre än traditionellt glas, men sikten genom dem skulle vara disig, mer lik frostat glas än ett vanligt fönster. Däremot kan grumligheten vara en fördel om användarna vill ha diffust ljus: Eftersom tjockare trä är starkt kan det vara en delvis bärande ljuskälla, säger Berglund, som eventuellt fungerar som ett tak som ger ett mjukt omgivande ljus till ett rum.

Hu och Berglund har fortsatt att leka med sätt att skänka nya egenskaper till transparent trä. För ungefär fem år sedan fann Berglund och kollegor på KTH och Georgia Institute of Technology att de kunde härma smarta fönster, som kan växla från transparent till tonad för att blockera sikten eller solens strålar. Forskarna placerade en elektrokrom polymer - ett ämne som kan ändra färg med elektricitet - mellan lager av genomskinligt trä belagt med en elektrodpolymer för att leda elektricitet. Detta skapade en träskiva som förändras från klar till magenta när användare kör en liten elektrisk ström genom den.

På senare tid har de två grupperna flyttat sin uppmärksamhet till att förbättra hållbarheten för transparent träproduktion. Till exempel är hartset som används för att fylla träställningarna vanligtvis en petroleumhärledd plastprodukt, så det är bättre att undvika att använda det, säger Montanari. Som ersättare uppfann hon och kollegor en helt biobaserad polymer, kommer från citrusskal. Teamet kombinerade först akrylsyra och limonen, en kemikalie extraherad från citron- och apelsinskal som finns i eteriska oljor. Sedan impregnerade de delignifierat trä med det. Även med en fruktig fyllning bibehöll det biobaserade transparenta träet sina mekaniska och optiska egenskaper, tål cirka 30 megapascal tryck mer än vanligt trä och sänder ut cirka 90 procent av ljuset, rapporterade forskarna 2021 i Avancerad vetenskap.

Hus labb rapporterade nyligen in Vetenskap Förskott a grönare lignin-blekningsmetod som stöder sig på väteperoxid och UV-strålning, vilket ytterligare minskar produktionens energibehov. Teamet borstade träskivor från cirka 0.5 till 3.5 millimeter i tjocklek med väteperoxid och lämnade dem sedan framför UV-lampor för att efterlikna solens strålar. UV-strålningen blekte bort de pigmenthaltiga delarna av lignin men lämnade strukturdelarna intakta, vilket bidrog till att behålla mer styrka i träet.

Dessa mer miljövänliga tillvägagångssätt hjälper till att begränsa mängden giftiga kemikalier och fossilbaserade polymerer som används i produktionen, men för närvarande har glas fortfarande lägre miljöpåverkan i slutet av livet än transparent trä, enligt en analys av Dhar och kollegor i Vetenskapen om den totala miljö. Att anamma grönare produktionssystem och skala upp tillverkningen är två steg som är nödvändiga för att lägga till transparent trä till vanliga marknader, säger forskare, men det kommer att ta tid. Men de är övertygade om att det kan göras och tror på dess potential som ett hållbart material.

"När du försöker uppnå hållbarhet vill du inte bara matcha egenskaperna hos fossilbaserade material", säger Montanari. "Som vetenskapsman vill jag överträffa detta."