Почему ученые создают прозрачную древесину

30 лет назад у немецкого ботаника было простое желание: увидеть внутреннее устройство древесных растений, не вскрывая их. Отбелив пигменты в клетках растений, Зигфрид Финк сумел создать прозрачную древесину и опубликовал свою методику в специализированном журнале по деревообработке. Его статья 1992 года оставалась последним словом о прозрачной древесине более десяти лет, пока на неё не наткнулся исследователь по имени Ларс Берглунд.

Берглунда вдохновило открытие Финка, но не по ботаническим причинам. Материаловед, работающий в Королевском технологическом институте Швеции, специализирующийся на полимерных композитах и был заинтересован в создании более прочной альтернативы прозрачной пластмассе. И он был не единственным, кого привлекли достоинства древесины. По ту сторону океана исследователи из Университета Мэриленда занимались схожей целью — использовать прочность древесины для нетрадиционных целей.

Сейчас, после долгих лет экспериментов, исследования этих групп начинают приносить плоды. Прозрачная древесина вскоре может найти применение в сверхпрочных экранах для смартфонов, мягких светильниках с подсветкой и даже в качестве несущих строительных элементов, например окон, меняющих цвет.

"Я твердо верю, что у этого материала многообещающее будущее", — говорит Цилян Фу, специалист по нанотехнологиям древесины из Лесотехнического университета Нанкина в Китае, который работал в лаборатории Берглунда, будучи аспирантом.

Древесина состоит из бесчисленного множества маленьких вертикальных каналов, наподобие плотной связки соломинок, скреплённых клеем. Эти трубчатые клетки транспортируют воду и питательные вещества по всему дереву, а когда дерево срубают и влага испаряется, остаются пустоты. Чтобы сделать древесину прозрачной, ученым сначала нужно модифицировать или убрать лигнин — тот самый клей, который удерживает пучки клеток и придаёт стволам и веткам большую часть их землисто-коричневых оттенков. После отбеливания остаётся молочно-белый скелет полых клеток.

Этот скелет всё ещё непрозрачен, потому что клеточные стенки преломляют свет в другой степени, чем воздух в клеточных пустотах — это значение называется показателем преломления. Заполнение воздушных пустот таким веществом как эпоксидная смола, которое преломляет свет в степени, близкой к клеточным стенкам, делает древесину прозрачной.

Материал, с которым работают ученые, тонкий — обычно менее миллиметра, но доходит и до сантиметра толщиной. Однако клетки образуют прочную сотовую структуру, а крошечные древесные волокна прочнее лучших углеродных волокон, говорит материаловед Лиангбин Ху, возглавляющий исследовательскую группу по прозрачной древесине в Университете Мэриленда в Колледж-Парке. А с добавленной смолой прозрачная древесина превосходит пластик и стекло: в тестах на хрупкость и разрушение под давлением прозрачная древесина оказалась примерно в три раза прочнее прозрачных пластмасс типа оргстекла и около в 10 раз жёстче стекла.

Процесс также работает с более толстой древесиной, но сквозь неё вид хуже из-за большего рассеивания света. В своих первоначальных исследованиях 2016 года Ху и Берглунд обнаружили, что миллиметровые листы пропитанных смолой древесных "скелетов" пропускают 80-90% света. С увеличением толщины до сантиметра пропускная способность падает: группа Берглунда сообщила, что у 3,7-миллиметровой древесины, пропускалось лишь 40% света.

Тонкий профиль и прочность материала означают, что он может стать отличной альтернативой продуктам из хрупких листов пластика или стекла, например дисплеям. Например, французская компания Woodoo использует схожий процесс удаления лигнина в своих деревянных экранах, но оставляет немного лигнина для создания другой цветовой эстетики. Компания адаптирует свои перерабатываемые сенсорные дисплеи для продуктов, включая приборные панели автомобилей и рекламные щиты.

Однако бОльшая часть исследований сосредоточена на прозрачной древесине как на архитектурной детали, причём окна — особенно перспективное применение, говорит Продьют Дхар, биохимический инженер из Индийского технологического института Варанаси. Прозрачная древесина — намного лучший изолятор, чем стекло, так что она могла бы помочь зданиям сохранять тепло или не пропускать его. Ху и коллеги также использовали поливиниловый спирт, или ПВС (полимер, применяемый в клеях и упаковке пищевых продуктов), чтобы пропитать древесные скелеты, создав прозрачную древесину, которая проводит тепло в пять раз медленнее стекла, сообщила команда в 2019 году в Advanced Functional Materials.

А исследователи продолжают экспериментировать с новыми способами улучшения способности древесины удерживать или выделять тепло, что было бы полезно для энергоэффективных зданий. Селин Монтанари, материаловед из Института исследований RISE в Швеции, вместе с коллегами опробовали фазово-переходные материалы, которые переключаются с накопления тепла на выделение при смене агрегатного состояния с твёрдого на жидкое и наоборот. Включив, к примеру, полиэтиленгликоль, ученые выяснили, что их древесина может накапливать тепло и выделять его по мере охлаждения, о чём они сообщили в ACS Applied Materials and Interfaces в 2019 году.

Таким образом, прозрачные деревянные окна были бы прочнее и лучше помогали контролировать температуру по сравнению с традиционным стеклом, однако сквозь них было бы туманно, как сквозь матовое стекло, нежели обычное. Однако непрозрачность могла бы стать преимуществом, если нужен рассеянный свет: поскольку более толстая древесина прочнее, она могла бы частично выдерживать нагрузку в качестве источника света, говорит Берглунд, потенциально выступая в роли потолка, обеспечивающего мягкий рассеянный свет в комнате.

Тем временем Ху и Берглунд продолжают экспериментировать с новыми свойствами прозрачной древесины. Около пяти лет назад Берглунд и коллеги из KTH и Технологического института Джорджии выяснили, что могут имитировать "умные" окна, способные переключать прозрачный режим на затемнение. Для этого они зажали между слоями прозрачной древесины, покрытой электродным полимером для проведения электричества, электрохромный полимер — вещество, меняющее цвет от электричества. Так они создали створку из древесины, которая меняется с прозрачной на малиновую при подаче небольшого тока.

В последнее время обе группы переключили своё внимание на повышение устойчивого развития при производстве прозрачной древесины. Например, смола, используемая для заполнения древесного каркаса, обычно представляет собой нефтепродукт, так что лучше её избегать. Взамен она и коллеги изобрели полностью основанный на цитрусовых корках полимер. Сначала команда объединила акриловую кислоту и лимонен — химическое вещество, извлекаемое из лимонной и апельсиновой корки, которое содержится в эфирных маслах. Затем они пропитали им обесцвеченную древесину. Даже с фруктовой начинкой биооснованная прозрачная древесина сохранила свои механические и оптические свойства, выдерживая около 30 мегапаскалей давления сверх обычной древесины и пропуская около 90% света, сообщили исследователи в 2021 году в журнале Advanced Science.

Тем временем лаборатория Ху недавно сообщила в Science Advances о более экологичном методе отбеливания лигнина с использованием пероксида водорода и ультрафиолетового излучения, что дополнительно снижает энергопотребление производства. Команда обрабатывала ломтики древесины толщиной примерно 0,5-3,5 мм пероксидом водорода, а затем оставляла их перед ультрафиолетовыми лампами, имитируя солнечные лучи. УФ-излучение выбеливало содержащие пигмент части лигнина, но оставляло структурные части нетронутыми, тем самым помогая сохранить большую прочность древесины.

Эти более экологичные подходы помогают ограничить использование токсичных химикатов и полимеров на основе ископаемого сырья при производстве, однако пока по окончании жизненного цикла у стекла всё еще меньше негативного влияния на окружающую среду, чем у прозрачной древесины, согласно анализу Дхара и коллег. Переход на более экологичные схемы производства и масштабирование — два необходимых шага для выхода прозрачной древесины на массовые рынки, говорят исследователи, но на это потребуется время и капитал. Тем не менее, они уверены, что это возможно, и верят в её потенциал как устойчивого материала.