De ce oamenii de știință fac lemn transparent

În urmă cu treizeci de ani, un botanist din Germania avea o dorință simplă: să vadă funcționarea interioară a plantelor lemnoase fără a le diseca. Prin albirea pigmenților din celulele vegetale, Siegfried Fink a reușit creați lemn transparentși și-a publicat tehnica într-un jurnal de nișă de tehnologie a lemnului. Lucrarea din 1992 a rămas ultimul cuvânt despre lemnul transparent timp de mai bine de un deceniu, până când un cercetător pe nume Lars Berglund a dat peste el.

Berglund a fost inspirat de descoperirea lui Fink, dar nu din motive botanice. Omul de știință în materiale, care lucrează la KTH Royal Institute of Technology din Suedia, este specializat în compozite polimerice și a fost interesat să creeze o alternativă mai robustă la plasticul transparent. Și nu era singurul interesat de virtuțile lemnului. Dincolo de ocean, cercetătorii de la Universitatea din Maryland erau ocupați cu un obiectiv înrudit: valorificarea rezistenței lemnului în scopuri netradiționale.

Acum, după ani de experimente, cercetările acestor grupuri încep să dea roade. Lemnul transparent ar putea găsi în curând utilizări în ecranele super-puternice pentru smartphone-uri; în corpuri de iluminat moi, strălucitoare; și chiar ca caracteristici structurale, cum ar fi ferestrele care schimbă culoarea.

„Cred cu adevărat că acest material are un viitor promițător”, spune Qiliang Fu, un nanotehnolog din lemn la Nanjing Forestry University din China, care a lucrat în laboratorul lui Berglund ca student absolvent.

Lemnul este alcătuit din nenumărate canale verticale mici, ca un mănunchi strâns de paie legate între ele cu lipici. Aceste celule în formă de tub transportă apă și nutrienți peste tot un copac, iar când copacul este recoltat și umiditatea se evaporă, buzunarele de aer rămân în urmă. Pentru a crea lemn transparent, oamenii de știință trebuie mai întâi să modifice sau să scape de adezivul, numit lignină, care ține pachetele de celule împreună și oferă trunchiurilor și ramurilor majoritatea nuanțelor lor maro pământii. După înălbirea culorii ligninei sau îndepărtarea ei în alt mod, rămâne un schelet alb-laptos de celule goale.

Acest schelet este încă opac, deoarece pereții celulelor îndoaie lumina într-un grad diferit de aerul din buzunarele celulei – o valoare numită indice de refracție. Umplerea pungilor de aer cu o substanță cum ar fi rășina epoxidică care îndoaie lumina într-un grad similar cu pereții celulei face lemnul transparent.

Materialul cu care au lucrat oamenii de știință este subțire – de obicei, mai puțin de un milimetru până la aproximativ un centimetru grosime. Dar celulele creează o structură de fagure robustă, iar fibrele minuscule de lemn sunt mai puternice decât cele mai bune fibre de carbon, spune cercetătorul în materiale Liangbing Hu, care conduce grupul de cercetare care lucrează pe lemnul transparent de la Universitatea din Maryland din College Park. Iar cu rășina adăugată, lemnul transparent depășește plasticul și sticla: în testele care măsoară cât de ușor se rup sau se sparg materialele sub presiune, lemnul transparent a ieșit de aproximativ trei ori mai puternic decât plasticul transparent, cum ar fi plexiglasul și de aproximativ 10 ori mai dur decât sticla.

„Rezultatele sunt uimitoare, că o bucată de lemn poate fi la fel de puternică ca sticla”, spune Hu, care a subliniat caracteristicile lemnului transparent în Revizuirea anuală 2023 a cercetării materialelor.

Procesul funcționează și cu lemn mai gros, dar vederea prin acea substanță este mai tulbure, deoarece împrăștie mai multă lumină. În studiile lor originale din 2016, Hu și Berglund au descoperit că foile subțiri de milimetri ale scheletelor de lemn umplute cu rășină lasă să treacă 80 până la 90% din lumină. Pe măsură ce grosimea se apropie de un centimetru, transmisia luminii scade: grupul lui Berglund a raportat că lemnul de 3,7 milimetri grosime – grosime de aproximativ doi bănuți – transmite doar 40% din lumină.

Profilul subțire și rezistența materialului înseamnă că ar putea fi o alternativă excelentă la produsele realizate din bucăți subțiri, ușor de spart de plastic sau sticlă, cum ar fi ecranele de afișare. Compania franceză Woodoo, de exemplu, folosește un proces similar de îndepărtare a ligninei în ecranele sale din lemn, dar lasă puțină lignină pentru a crea o estetică de culoare diferită. Compania își adaptează afișajele digitale reciclabile, sensibile la atingere, pentru produse, inclusiv tablouri de bord ale mașinilor și panouri publicitare.

Dar majoritatea cercetărilor s-au concentrat pe lemnul transparent ca caracteristică arhitecturală, ferestrele fiind o utilizare deosebit de promițătoare, spune Prodyut Dhar, inginer biochimic la Institutul Indian de Tehnologie Varanasi. Lemnul transparent este un izolator mult mai bun decât sticla, așa că ar putea ajuta clădirile să rețină căldura sau să o țină afară. Hu și colegii săi au folosit, de asemenea, alcool polivinilic sau PVA – un polimer utilizat în lipici și ambalaje alimentare – pentru a se infiltra în scheletele lemnului, făcând lemn transparent care conduce căldura într-o rată. de cinci ori mai mică decât cea a sticlei, echipa a raportat în 2019 în Materiale funcționale avansate.