Berglund werd geïnspireerd door de ontdekking van Fink, maar niet om botanische redenen. De materiaalwetenschapper, werkzaam bij het KTH Royal Institute of Technology in Zweden, is gespecialiseerd in polymeercomposieten en was geïnteresseerd in het creëren van een robuuster alternatief voor transparant plastic. En hij was niet de enige die geïnteresseerd was in de deugden van hout. Aan de andere kant van de oceaan waren onderzoekers van de Universiteit van Maryland bezig met een gerelateerd doel: het benutten van de kracht van hout voor niet-traditionele doeleinden.

Nu, na jaren van experimenteren, begint het onderzoek van deze groepen vruchten af ​​te werpen. Transparant hout zou binnenkort gebruikt kunnen worden in supersterke schermen voor smartphones; in zachte, gloeiende lampen; en zelfs als structurele kenmerken, zoals kleurveranderende ramen.

“Ik geloof echt dat dit materiaal een veelbelovende toekomst heeft”, zegt Qiliang Fu, een houtnanotechnoloog aan de Nanjing Forestry University in China, die als afgestudeerde student in het laboratorium van Berglund werkte.

Hout bestaat uit talloze kleine verticale kanaaltjes, als een strakke bundel rietjes die met lijm aan elkaar zijn gebonden. Deze buisvormige cellen transporteren water en voedingsstoffen door het hele lichaam een boom, en als de boom wordt geoogst en het vocht verdampt, blijven er luchtbellen achter. Om doorzichtig hout te maken, moeten wetenschappers eerst de lijm, lignine genaamd, die de celbundels bij elkaar houdt en de stammen en takken de meeste van hun aardse bruine tinten geeft, aanpassen of verwijderen. Nadat de kleur van lignine is weggebleekt of op een andere manier is verwijderd, blijft er een melkachtig wit skelet van holle cellen achter.

Dit skelet is nog steeds ondoorzichtig, omdat de celwanden het licht in een andere mate afbuigen dan de lucht in de celzakken, een waarde die de brekingsindex wordt genoemd. Door de luchtzakken te vullen met een stof zoals epoxyhars, die het licht in dezelfde mate buigt als de celwanden, wordt het hout transparant.

Het materiaal waarmee de wetenschappers werkten is dun, meestal minder dan een millimeter tot ongeveer een centimeter dik. Maar de cellen creëren een stevige honingraatstructuur en de kleine houtvezels zijn sterker dan de beste koolstofvezels, zegt materiaalwetenschapper Liangbing Hu, die leiding geeft aan de onderzoeksgroep die aan transparant hout werkt aan de Universiteit van Maryland in College Park. En met de toegevoegde hars presteert transparant hout beter dan plastic en glas: uit tests waarbij werd gemeten hoe gemakkelijk materialen breken of breken onder druk, kwam transparant hout ongeveer drie keer sterker uit dan transparante kunststoffen zoals plexiglas en ongeveer tien keer sterker dan glas.

“De resultaten zijn verbluffend: een stuk hout kan zo sterk zijn als glas”, zegt Hu, die de nadruk legde op de kenmerken van transparant hout in de 2023 Jaaroverzicht van materiaalonderzoek.

Het proces werkt ook met dikker hout, maar het zicht door die substantie is waziger omdat het meer licht verstrooit. In hun oorspronkelijke onderzoek uit 2016 ontdekten Hu en Berglund allebei dat millimeterdunne platen van de met hars gevulde houtskeletten 80 tot 90 procent van het licht doorlaten. Naarmate de dikte dichter bij een centimeter komt, neemt de lichttransmissie af: de groep van Berglund rapporteerde dat 3.7 millimeter dik hout – ongeveer twee cent dik – slechts 40 procent van het licht doorliet.

Het slanke profiel en de sterkte van het materiaal zorgen ervoor dat het een geweldig alternatief kan zijn voor producten gemaakt van dunne, gemakkelijk te verbrijzelen stukken plastic of glas, zoals beeldschermen. Het Franse bedrijf Woodoo gebruikt bijvoorbeeld een soortgelijk lignineverwijderingsproces in zijn houten schermen, maar laat een beetje lignine achter om een ​​andere kleuresthetiek te creëren. Het bedrijf maakt zijn recyclebare, aanraakgevoelige digitale displays op maat voor producten als autodashboards en reclameborden.

Maar het meeste onderzoek concentreerde zich op transparant hout als architectonisch kenmerk, waarbij ramen een bijzonder veelbelovende toepassing zijn, zegt Prodyut Dhar, een biochemisch ingenieur aan het Indian Institute of Technology Varanasi. Transparant hout isoleert veel beter dan glas, dus het kan gebouwen helpen de warmte vast te houden of buiten te houden. Hu en collega's hebben ook polyvinylalcohol of PVA (een polymeer dat wordt gebruikt in lijm en voedselverpakkingen) gebruikt om de houtskeletten te infiltreren, waardoor transparant hout ontstaat dat warmte met een snelheid geleidt. vijf keer lager dan die van glas, het team rapporteerde in 2019 in Geavanceerde functionele materialen.

En onderzoekers komen met andere aanpassingen om het vermogen van hout om warmte vast te houden of af te geven te vergroten, wat nuttig zou zijn voor energie-efficiënte gebouwen. Céline Montanari, een materiaalwetenschapper bij de RISE Research Institutes in Zweden, en collega's experimenteerden met faseveranderingsmaterialen, die overschakelen van opslag naar warmte vrijgeven wanneer ze veranderen van vast naar vloeibaar, of omgekeerd. Door bijvoorbeeld polyethyleenglycol toe te voegen, ontdekten de wetenschappers dat hun hout warmte kon opslaan als het warm was en warmte kon afgeven als het afkoelde, werk dat ze publiceerden in ACS toegepaste materialen en interfaces In 2019.

Transparante houten ramen zouden daarom sterker zijn en beter helpen bij de temperatuurbeheersing dan traditioneel glas, maar het zicht erdoorheen zou wazig zijn en meer op matglas lijken dan op een gewoon raam. De wazigheid kan echter een voordeel zijn als gebruikers diffuus licht willen: omdat dikker hout sterk is, kan het een gedeeltelijk dragende lichtbron zijn, zegt Berglund, en mogelijk fungeren als een plafond dat zacht, omgevingslicht in een kamer brengt.

Hu en Berglund zijn blijven spelen met manieren om nieuwe eigenschappen aan transparant hout te geven. Ongeveer vijf jaar geleden ontdekten Berglund en collega's van KTH en Georgia Institute of Technology dat ze konden nabootsen slimme ramen, die kan overschakelen van transparant naar getint om de zichtbaarheid of de zonnestralen te blokkeren. De onderzoekers plaatsten een elektrochroom polymeer – een stof die van kleur kan veranderen door elektriciteit – tussen lagen transparant hout bedekt met een elektrodepolymeer om elektriciteit te geleiden. Dit gecreëerd een ruit van hout die verandert van helder naar magenta wanneer gebruikers er een kleine elektrische stroom doorheen laten lopen.

Meer recentelijk hebben de twee groepen hun aandacht verlegd naar het verbeteren van de duurzaamheid van transparante houtproductie. De hars die wordt gebruikt om de houten steigers te vullen, is bijvoorbeeld doorgaans een uit aardolie afkomstig plastic product, dus het is beter om het gebruik ervan te vermijden, zegt Montanari. Ter vervanging heeft zij samen met haar collega’s een volledig biogebaseerd polymeer uitgevonden, afkomstig van citrusschillen. Het team combineerde eerst acrylzuur en limoneen, een chemische stof gewonnen uit citroen- en sinaasappelschillen die voorkomt in essentiële oliën. Vervolgens impregneerden ze er verwaardigd hout mee. Zelfs met een fruitige vulling behield het biogebaseerde transparante hout zijn mechanische en optische eigenschappen, weerstond het ongeveer 30 megapascal druk meer dan gewoon hout en liet het ongeveer 90 procent van het licht door, rapporteerden de onderzoekers in 2021 in Geavanceerde wetenschap.

Hu’s laboratorium rapporteerde ondertussen onlangs in Wetenschap Advances a groenere lignine-bleekmethode dat leunt op waterstofperoxide en UV-straling, waardoor de energiebehoefte van de productie verder wordt verminderd. Het team borstelde stukken hout van ongeveer 0.5 tot 3.5 millimeter dik met waterstofperoxide en liet ze vervolgens voor UV-lampen liggen om de zonnestralen na te bootsen. De UV bleek de pigmenthoudende delen van lignine weg, maar liet de structurele delen intact, waardoor er meer sterkte in het hout behouden bleef.

Deze milieuvriendelijkere benaderingen helpen de hoeveelheid giftige chemicaliën en polymeren op fossiele basis die bij de productie worden gebruikt, te beperken, maar voorlopig heeft glas nog steeds lagere milieueffecten aan het einde van de levensduur dan transparant hout, volgens een analyse van Dhar en collega's in Wetenschap van het Total Environment. Het omarmen van groenere productiesystemen en het opschalen van de productie zijn twee stappen die nodig zijn om transparant hout toe te voegen aan de reguliere markten, zeggen onderzoekers, maar het zal tijd vergen. Ze hebben er echter vertrouwen in dat dit mogelijk is en geloven in de potentie ervan als duurzaam materiaal.

“Als je duurzaamheid probeert te bereiken, wil je niet alleen de eigenschappen van materialen op fossiele basis evenaren”, zegt Montanari. “Als wetenschapper wil ik dit overtreffen.”