Впервые о прозрачной древесине мир услышал в 1992 году — тогда вышла статья немецкого ботаника Зигфрида Финка, рассказывающая об опыте создания прозрачной древесины. Оказалось, что это на удивление просто.
Отбеливаем и уравниваем коэффициенты
Метод Финка включал в себя два этапа. Во-первых, он подверг древесину отбеливанию, разрушив лигнин. Это природный полимер, который обеспечивает механическую прочность и герметичность клеточных стенок древесины, а заодно и окрашивает ее.
Во-вторых, Финк пропитал дерево прозрачной полимерной смолой, заполнившей его каналы. Напомним, что древесина имеет трубчатую структуру, сквозь которую осуществляется транспортировка жидкости. У высушенной древесины в трубчатых каналах находится воздух, у него иной показатель преломления, чем у стенок полых волокон. Чтобы древесина стала прозрачной, Финк замещал воздух полимерной смолой с подходящим показателем преломления.
Этот интересный опыт более десяти лет оставался без внимания, пока им не заинтересовались материаловеды. В Швеции прозрачной древесиной занялась группа Ларса Берглунда из Королевского технологического университета, а потом и другие специалисты, в США — команда Лянбина Ху из Университета Мэриленда.
Конечная цель их исследований — заменить прозрачный пластик и стекло древесиной. Причин для этого хватает. Во-первых, в отличие от нефти, которая служит сырьем для пластика, древесина — восполняемый ресурс. Во-вторых, она отличный теплоизолятор. Наконец, пропитанная полимером прозрачная древесина примерно в три раза прочнее, чем прозрачные пластики — такие, как плексиглас, — и примерно в 10 раз прочнее, чем стекло.
Правда, есть у прозрачной древесины и минус: с увеличением толщины снижается ее светопропускание. По данным Берглунда, слой миллиметровой толщины пропускает от 80% до 90% света, а пластина толщиной 3,7 миллиметра — всего 40%.
Экраны, ширмы и архитектура
Поэтому одно из самых перспективных направлений для применения прозрачной древесины — экраны смартфонов, мониторов и приборных панелей автомобилей, для которых не нужна толщина. С другой стороны, если новый материал в 10 раз прочнее, чем стекло, выполненные из него изделия могут быть даже тоньше стекла — и этим намерены пользоваться архитекторы. В том числе и потому, что прозрачная древесина проводит тепло в пять раз медленнее, чем стекло. Это значит, что можно увеличить площадь остекления, не опасаясь теплопотерь — и в итоге все равно получить больше света.
Есть и простые, но от этого не менее эффектные способы применения прозрачной древесины. И они уже нашли свое место. Так, французская компания Woodoo, например, делает деревянные ширмы, специально удаляя из материала не весь лигнин. Тем самым обеспечиваются неполная прозрачность и интересный окрас.
Меняя цвет, сохраняя тепло
Исследуя возможности нового материала, ученые пришли к неожиданным решениям. Например, к созданию умных окон, которые могут превращаться из прозрачных в тонированные, чтобы блокировать видимость или солнечные лучи. Для этого древесные волокна заполнили электрохромным полимером — веществом, которое может менять цвет под действием электричества, — и покрыли поверхность пластины электропроводящим полимером. В результате получилась деревянная панель, превращающаяся из прозрачной в пурпурную при подключении электричества. Причем этот переход можно и автоматизировать, заставив стекло терять прозрачность при повышении солнечной активности.
Есть и еще более продвинутые решения. Селин Монтанари, ученый-материаловед из исследовательского института RISE в Швеции, и ее коллеги обнаружили: если в прозрачную древесину добавить полиэтиленгликоль, она начнет аккумулировать тепло. Ни пластики, ни стекло на такое не способны.
Берем обычную перекись водорода…
В начале пути в концепции прозрачной древесины было два нежелательных момента:
- необходимость разрушения лигнина, что подразумевает использование агрессивных химических веществ;
- использование для заполнения волокон синтетических полимеров из нефти.
Обе эти проблемы уже удалось решить. Упомянутая выше Селин Монтанари и ее коллеги изобрели биологический полимер из кожуры цитрусовых. Они создали его, объединив акриловую кислоту и лимонен — химическое вещество, полученное из кожуры лимона и апельсина и содержащееся в эфирных маслах. Этим составом пропитывали делигнифицированную древесину. Так она сохраняла свои механические и оптические свойства, выдерживая давление примерно на 30 мегапаскалей больше, чем обычная древесина, и пропуская около 90% света, сообщили исследователи в 2021 году в журнале Advanced Science.
Однако и от лигнина полностью избавляться не обязательно. Еще в 2017 году Юаньюань Ли из Королевского технологического университета Швеции и его коллеги описали метод, который вместо разрушения лигнина включает удаление его хромофоров — пигментных составляющих. Ученые добились этого с помощью обычной перекиси водорода. Их метод сохранил около 80% лигнина в древесине и при этом позволил получить продукт, пропускающий 83% света. Позже команда Ху из Мэриленда дополнила эту технологию обработкой древесины ультрафиолетом, увеличив светопропускание до 90%. Такой подход одновременно повышает прочность материала и позволяет снизить нагрузку на окружающую среду, ведь удается избежать отбеливания с применением хлорсодержащих препаратов.
Правда, пока что с экологической точки зрения прозрачная древесина в целом проигрывает стеклу. Однако и эту проблему ученые намерены решить в ближайшем будущем.
