Можеш ли да се сетиш защо учените работят над прозрачно дърво? Отговорът може да те изненада

Преди 30 години един ботаник в Германия имаше просто желание. Да види вътрешното функциониране на дървесните растения, без да им прави дисекция. Чрез избелване на пигментите в растителните клетки, Зигфрид Финк успява да създаде прозрачно дърво.

Публикува техниката си в специализирано списание за технологии за дърво.

Документът от 1992 г. остава последната написана дума за прозрачното дърво за повече от десетилетие. Докато изследовател на име Ларс Берглунд не се натъква на него, пишат от ArsTecnica.

Берглунд е вдъхновен от откритието на Финк, но не по ботанически причини.

Ученият по материали, който работи в KTH Royal Institute of Technology в Швеция, специализира в полимерни композити. Той се интересува от създаването на по-здрава алтернатива на прозрачната пластмаса. И той не беше единственият, който се интересуваше от предимствата на дървото. Отвъд океана изследователи от Университета на Мериленд бяха заети със свързана цел – овладяване на силата на дървото за нетрадиционни цели.

Сега, след години на експерименти, изследванията на тези групи започват да дават плодове.

Прозрачното дърво скоро може да намери приложение в супер здрави екрани за смартфони, в меки осветителни тела, дори като структурни елементи – като променящи цвета си прозорци.

Дървото се състои от безброй малки вертикални канали, като стегнат сноп сламки, свързани с лепило.

Тези тръбовидни клетки пренасят вода и хранителни вещества през цялото дърво и когато дървото се обере и влагата се изпари, остават въздушни джобове. За да създадат прозрачна дървесина, учените първо трябва да модифицират или да се отърват от лепилото, наречено лигнин. То държи клетъчните снопове заедно и осигурява на стволовете и клоните повечето от земните им кафяви нюанси. След избелването на цвета на лигнина, или отстраняването му по друг начин, остава млечнобял скелет от кухи клетки.

Този скелет все още е непрозрачен, тъй като клетъчните стени огъват светлината в различна степен от въздуха в клетъчните джобове.

Това е стойност, наречена индекс на пречупване.

Запълването на въздушните джобове с вещество като епоксидна смола, което огъва светлината до степен, подобна на клетъчните стени, прави дървото прозрачно.

Материалът, с който са работили учените, е тънък – обикновено с дебелина под милиметър до около сантиметър.

Но клетките създават здрава структура на пчелна пита, а малките дървесни влакна са по-здрави от най-добрите въглеродни влакна, казва ученият по материали Лянгбинг Ху, който ръководи изследователската група, работеща върху прозрачно дърво в Университета на Мериленд в Колидж Парк. А с добавената смола прозрачното дърво превъзхожда пластмасата и стъклото.

При тестове, измерващи колко лесно материалите се счупват, прозрачното дърво се оказа около три пъти по-здраво от прозрачните пластмаси като плексиглас.

И около 10 пъти по-здраво от стъклото.

„Резултатите са невероятни, че едно парче дърво може да бъде здраво като стъкло“, казва Ху, който изтъкна характеристиките на прозрачното дърво в Annual Review of Materials Research 2023 г.

Процесът работи и с по-дебело дърво, но гледката през това вещество е по-мътна, защото разпръсква повече светлина.

В първоначалните си проучвания от 2016 г. Ху и Берглунд установиха, че тънките милиметър листове от пълните със смола дървени скелети пропускат 80 до 90 процента светлина. Когато дебелината се доближава до сантиметър, пропускливостта на светлината пада. Групата на Берглунд съобщава, че дърво с дебелина 3,7 милиметра пропуска само 40 процента от светлината.

Тънкият профил и здравината на материала означават, че той може да бъде чудесна алтернатива на продуктите, направени от тънки, лесно разбиващи се парчета пластмаса или стъкло.

Точно като за употреба в екраните на смартфони и други устройства.

Френската компания Woodoo, например, използва подобен процес за премахване на лигнин в своите дървени екрани. Тя обаче оставя малко лигнин, за да създаде различна цветова естетика. Компанията приспособява своите рециклируеми, чувствителни на допир цифрови дисплеи за продукти, включително автомобилни табла и рекламни билбордове.

Но повечето изследвания са съсредоточени върху прозрачното дърво като архитектурен елемент. Прозорците са особено обещаващо приложение, казва Продют Дар, биохимичен инженер в Индийския технологичен институт Варанаси. Прозрачното дърво е много по-добър изолатор от стъклото, така че може да помогне на сградите да задържат топлината или да я предпазят от нея.

Ху и колегите му също са използвали поливинил алкохол или PVA – полимер, използван в лепило и опаковки за храни – за инфилтриране на дървените скелети, правейки прозрачно дърво, което провежда топлина със скорост пет пъти по-ниска от тази на стъклото.

Екипът докладва за това през 2019 г. в Advanced Functional Materials.

И изследователите измислят други промени, за да увеличат способността на дървото да задържа или освобождава топлина, което би било полезно за енергийно ефективни сгради. Селин Монтанари, учен по материали в изследователските институти RISE на Швеция, и колеги експериментираха с материали с фазова промяна, които преминават от съхранение към отделяне на топлина, когато се променят от твърдо в течно състояние или обратното. Чрез включване на полиетилен гликол, например, учените откриха, че тяхната дървесина може да съхранява топлина, когато е топла, и да отделя топлина, докато се охлажда.

Работа, която те публикуваха в ACS Applied Materials and Interfaces през 2019 г.

Следователно прозрачните дървени прозорци биха били по-здрави и биха помогнали за контрол на температурата по-добре от традиционното стъкло. Но гледката през тях би била мъглива, по-подобна на матирано стъкло, отколкото на обикновен прозорец. Мътността обаче може да бъде предимство, ако потребителите искат дифузна светлина. Тъй като по-дебелата дървесина е здрава, тя може да бъде частично носеща натоварване от източник на светлина, казва Берглунд.

Потенциално може да действа като таван, който осигурява мека околна светлина в стаята.

Ху и Берглунд продължават да търсят начини да придадат нови свойства на прозрачното дърво. Преди около пет години Берглунд и колеги от KTH и Технологичния институт на Джорджия откриха, че могат да имитират интелигентни прозорци. Такива, които могат да превключват от прозрачни към тонирани, за да блокират видимостта или слънчевите лъчи. Изследователите са поставили електрохромен полимер – вещество, което може да променя цвета си с електричество – между слоеве от прозрачно дърво, покрито с електроден полимер, който провежда електричество. Това създаде панел от дърво, който се променя от прозрачен на магента, когато потребителите пуснат малък електрически ток през него.

Съвсем наскоро двете групи насочиха вниманието си към подобряване на устойчивостта на производството на прозрачна дървесина.

Например, смолата, използвана за запълване на дървеното скеле, обикновено е пластмасов продукт, получен от петрол. Така че е по-добре да се избягва използването му, казват учените. Като заместител те изобретиха изцяло биологично базиран полимер, получен от цитрусови кори. Екипът първо комбинира акрилова киселина и лимонен химикал, извлечен от лимонови и портокалови кори, който се съдържа в етеричните масла. След това те импрегнираха прозрачно дърво с него. Дори с плодов пълнеж, прозрачното дърво на биологична основа запазва своите механични и оптични свойства. Издържа около 30 мегапаскала налягане повече от обикновеното дърво и пропуска около 90 процента от светлината, съобщиха изследователите през 2021 г. в Advanced Science.

Междувременно лабораторията на Ху наскоро съобщи в Science Advances за по-екологичен метод за избелване на лигнин. Той се основава на водороден прекис и UV радиация, като допълнително намалява енергийните нужди на производството.

Екипът изчетка дървени резени с дебелина от около 0,5 до 3,5 милиметра с водороден пероксид, след което ги остави пред UV лампи, за да имитират слънчевите лъчи. UV избелва частите от лигнин, съдържащи пигмент, но оставя структурните части непокътнати, като по този начин спомага за запазване на повече здравина в дървото.

Тези по-щадящи околната среда подходи спомагат за ограничаване на количеството токсични химикали и полимери на основата на изкопаеми, използвани в производството.

Но засега стъклото все още има по-малко въздействие върху околната среда в края на живота си, отколкото прозрачното дърво.

Това сочи анализ на Дар и колеги в Science of the Total Environment.

Възприемането на по-екологични производствени схеми и увеличаването на производството са две стъпки, необходими за добавяне на прозрачна дървесина към основните пазари, казват изследователите, но това ще отнеме време. Те обаче са уверени, че това може да се направи и вярват в потенциала му като устойчив материал.