[Перевод] Зачем учёные создают прозрачное дерево
Прочнее пластика и жёстче стекла: материал, наполненный смолой, используется для изготовления экранов смартфонов, герметичных окон и многого другого.
Тридцать лет назад у ботаника из Германии появилась мечта: увидеть внутреннюю работу растений, не препарируя их. Отбеливая пигменты в клетках растений, Зигфрид Финк сумел создать прозрачную древесину и опубликовал свою методику в нишевом журнале по технологии древесины. Статья 1992 года оставалась последним словом о прозрачной древесине более десяти лет, пока на неё не наткнулся исследователь по имени Ларс Берглунд.
Берглунд был вдохновлён открытием Финка, но не по ботаническим причинам. Материаловед, работающий в Королевском технологическом институте KTH в Швеции, специализируется на полимерных композитах и был заинтересован в создании более прочной альтернативы прозрачному пластику. И не только он был заинтересован в достоинствах дерева. За океаном исследователи из Университета Мэриленда были заняты другой целью: использовать прочность древесины в нетрадиционных целях.
Теперь, после нескольких лет экспериментов, исследования этих групп начинают приносить плоды. Прозрачная древесина вскоре может найти применение в сверхпрочных экранах для смартфонов, в мягких, светящихся светильниках и даже в строительстве — например, в меняющих цвет окнах.
«Я искренне верю, что у этого материала многообещающее будущее», — говорит Цилян Фу, нанотехнолог по древесине из Нанкинского лесного университета в Китае, который работал в лаборатории Берглунда в качестве аспиранта.
Древесина состоит из бесчисленных маленьких вертикальных каналов, похожих на тугой пучок соломинок, скреплённых между собой клеем. Эти трубчатые клетки транспортируют воду и питательные вещества по всему дереву, а когда дерево срубают и влага испаряется, в этих местах остаются воздушные карманы. Чтобы создать прозрачную древесину, учёным сначала нужно изменить или избавиться от клея, лигнина, который удерживает пучки клеток вместе и придаёт стволам и ветвям большую часть их землисто-коричневого оттенка. После отбеливания или иного удаления цвета лигнина остаётся молочно-белый скелет полых клеток.
Этот каркас остаётся непрозрачным, потому что стенки клеток преломляют свет не так, как это делает воздух в карманах клеток — у них разный коэффициент преломления. Если заполнить воздушные карманы веществом вроде эпоксидной смолы со схожим со стенками клеток коэффициентом преломления, древесина станет прозрачной.
Материал, с которым работали учёные, очень тонкий — обычно его толщина составляет от миллиметра до сантиметра. Но ячейки создают прочную сотовую структуру, а крошечные древесные волокна прочнее самых лучших углеродных волокон, говорит материаловед Лянбин Ху, возглавляющий исследовательскую группу, работающую над прозрачной древесиной в Университете Мэриленда в Колледж-Парке. А с добавлением смолы прозрачная древесина превосходит по многим параметрам пластик и стекло. В тестах, измеряющих, насколько легко материалы ломаются под давлением, прозрачная древесина оказалась в три раза прочнее прозрачного плексигласа, и примерно в 10 раз прочнее стекла.
«Результаты удивительны: кусок дерева может быть таким же прочным, как стекло», — говорит Ху, который рассказал о свойствах прозрачной древесины в ежегодном обзоре исследований материалов за 2023 год.
Прозрачная древесина обычно сохраняет текстуру дерева, придавая ему естественную эстетику. Этот образец, изготовленный учёными из Мэрилендского университета в Колледж-Парке, выглядит как матовое стекло, но превосходит стекло по теплоизоляционным свойствам.
Процесс также применим и для более толстой древесины, но вид сквозь неё получается более мутным, поскольку она рассеивает больше света. В своих оригинальных исследованиях, проведённых в 2016 году, Ху и Берглунд обнаружили, что миллиметровые листы древесного каркаса, наполненного смолой, пропускают от 80 до 90% света. При толщине ближе к сантиметру светопропускание падает: группа Берглунда сообщила, что древесина толщиной 3,7 мм пропускает только 40% света.
Тонкий профиль и прочность материала означают, что он может стать отличной альтернативой изделиям из тонкого, легко бьющегося пластика или стекла — например, экранам дисплеев. Французская компания Woodoo, например, использует аналогичный процесс удаления лигнина в своих деревянных экранах, но оставляет немного лигнина, чтобы создать интересный оттенок цвета. Компания разрабатывает свои перерабатываемые, сенсорные цифровые дисплеи для приборных панелей автомобилей и рекламных щитов.
Но большинство исследований было посвящено использованию прозрачной древесины в качестве архитектурного элемента, причём особенно перспективным кажется его применение для окон, говорит Продьют Дхар, инженер-биохимик из Индийского технологического института Варанаси. Прозрачная древесина — гораздо лучший изолятор, чем стекло, поэтому она может помочь зданиям удерживать тепло или не пропускать его наружу. Ху и его коллеги также использовали поливиниловый спирт,- полимер, применяемый в клеях и упаковках для пищевых продуктов,- для пропитывания древесного каркаса, в результате чего прозрачная древесина проводит тепло в пять раз хуже, чем стекло, сообщила команда в 2019 году в журнале Advanced Functional Materials.
Исследователи разрабатывают и другие способы повышения способности древесины удерживать или отдавать тепло, что может быть полезно для энергоэффективных зданий. Селин Монтанари, материаловед из шведского исследовательского института RISE, и её коллеги экспериментировали с фазообменными материалами, которые при переходе из твёрдого состояния в жидкое или наоборот переходят от удержания к выделению тепла. Например, включив в состав полиэтиленгликоль, учёные обнаружили, что их древесина может накапливать тепло, когда она тёплая, и отдавать его, когда она охлаждается, работа опубликована в журнале ACS Applied Materials and Interfaces в 2019 году.
Для создания прозрачной древесины были исследованы различные породы деревьев, включая бальзу, каучуковое дерево, берёзу, сосну и тополь.
Таким образом, окна из прозрачной древесины будут прочнее и помогут регулировать температуру лучше, чем традиционное стекло, но вид через них будет мутным, больше похожим на матовое стекло, чем на обычное окно. Однако такая мутность может стать преимуществом, если пользователю нужен рассеянный свет: Поскольку толстое дерево прочное, оно может быть частью несущей конструкции, проводящей свет, говорит Берглунд — например, потолочного перекрытия, обеспечивающего мягкий рассеянный свет в комнате.
Ху и Берглунд продолжают искать способы придать прозрачной древесине новые свойства. Около пяти лет назад Берглунд с коллегами из KTH и Технологического института Джорджии обнаружили, что они могут имитировать «умные» окна, которые могут переключаться с прозрачного на тонированное состояние, чтобы блокировать видимость или солнечные лучи. Исследователи поместили электрохромный полимер — вещество, которое может менять цвет под воздействием электричества, — между слоями прозрачной древесины, покрытой электродным полимером для проведения электричества. В результате получилась деревянная панель, которая меняет цвет с прозрачного на пурпурный, когда через неё пропускают небольшой электрический ток.
В последнее время обе группы переключили своё внимание на повышение экологичности производства прозрачной древесины. Например, смола, используемая для заполнения деревянных лесов, как правило, представляет собой пластик, получаемый из нефти, поэтому лучше избегать её использования, говорит Монтанари. В качестве замены она и её коллеги изобрели полностью биологический полимер, получаемый из кожуры цитрусовых. Сначала они соединили акриловую кислоту и лимонен — химическое вещество, добываемое из кожуры лимонов и апельсинов и содержащееся в эфирных маслах. Затем они пропитали им древесину, избавленную от лигнина. Даже с фруктовым наполнителем прозрачная древесина на биооснове сохранила свои механические и оптические свойства, выдерживая давление на 30 мегапаскалей больше, чем обычная древесина, и пропускает около 90% света, сообщили исследователи в журнале 2021 in Advanced Science.
Лаборатория Ху, тем временем, недавно сообщила в журнале Science Advances о более экологичном методе отбеливания лигнина, который основан на использовании перекиси водорода и ультрафиолетового излучения, что ещё больше снижает потребность в энергии при производстве. Команда обработала кусочки древесины толщиной от 0,5 до 3,5 мм перекисью водорода, а затем оставила их перед ультрафиолетовыми лампами, имитирующими солнечные лучи. Ультрафиолет отбеливал пигментосодержащие части лигнина, но оставлял нетронутыми структурные части, что позволяло сохранить прочность древесины.
Учёные нанесли слово wood на лист дерева с помощью перекиси водорода (вверху), а затем применили ультрафиолетовое излучение, которое обесцветило окрашенные участки (в середине). Проникновение эпоксидной смолы в древесину сделало её прозрачной (внизу); лист с прозрачным рисунком контрастирует между прозрачными и непрозрачными участками.
Эти более экологичные подходы помогают ограничить количество токсичных химикатов и ископаемых полимеров, используемых в производстве, но на данный момент стекло все ещё оказывает меньшее воздействие на окружающую среду в конце срока службы, чем прозрачная древесина, согласно анализу, проведённому Дхаром и его коллегами в журнале Science of the Total Environment. По словам исследователей, внедрение более экологичных схем производства и расширение масштабов производства — это два шага, необходимых для выхода прозрачной древесины на основные рынки, но на это потребуется время. Однако они уверены, что это возможно, и верят в её потенциал как устойчивого материала.
«В попытках повысить экологичность производства нужно не просто дотянуться до свойств известных материалов, изготовленных из ископаемых», — говорит Монтанари. «Как учёный, я хочу превзойти их свойства».
