Прозрачные древесные композиты: будущее материаловедения
Прозрачные древесные композиты представляют собой инновационные материалы, которые могут похвастаться прозрачностью до 90%. Эти композиты не только обладают уникальными эстетическими качествами, но и превосходят обычное дерево по механическим свойствам. Впервые такие материалы были разработаны в 1992 году, и с тех пор они привлекли внимание ученых и инженеров благодаря своей биоразлагаемости, что делает их более экологически чистыми по сравнению со стеклом и пластиком. Прозрачная древесина также обладает высокой прочностью и небьющейся структурой, что открывает новые горизонты для применения в таких областях, как производство экранов для мобильных телефонов и других устройств.
История прозрачной древесины
Разработка прозрачной древесины началась с работы исследовательской группы под руководством профессора Ларса Берглунда из шведского университета KTH и профессора Лянбина Ху из Мэрилендского университета. Они разработали метод, который позволяет удалять цвет и некоторые химические вещества из древесины, а затем добавлять полимеры, такие как полиметилметакрилат (ПММА) и эпоксидная смола, на клеточном уровне. Этот процесс делает древесину прозрачной и открывает новые возможности для ее использования.
С момента своего появления в 2015-2016 годах прозрачная древесина привлекла внимание средств массовой информации, и о ней писали такие издания, как ScienceDaily, Wired, The Wall Street Journal и Нью-Йорк Таймс. Интересно, что исследовательские группы заново открыли метод, разработанный немецким ученым Зигфридом Финком в 1992 году, который также использовал аналогичный процесс для создания прозрачной древесины с целью аналитических исследований.
В 2021 году ученые представили новый способ производства прозрачной древесины, который оказался легче и прочнее стекла. Этот метод требует значительно меньше химикатов и энергии, чем предыдущие технологии. Тонкая древесина, полученная с помощью «химической чистки с использованием солнечной энергии», оказалась легче и в 50 раз прочнее, чем древесина, обработанная старыми методами.
Процесс производства прозрачной древесины
В своем естественном состоянии древесина не является прозрачным материалом из-за рассеивания и поглощения света. Цвет древесина обусловлен химическим составом, включающим целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Лигнин, в частности, отвечает за характерный цвет древесины и определяет уровень ее видимости, который составляет около 80-95%. Чтобы сделать древесину прозрачной, необходимо уменьшить как поглощение, так и рассеяние света. Процесс, используемый для этого, называется делигнификацией.
Процесс делигнификации включает несколько этапов. Сначала образец древесины замачивают в нагретых растворах, содержащих хлорид натрия, гипохлорит натрия или гидроксид/сульфит натрия, в течение 3-12 часов. Затем древесина обрабатывается кипящей перекисью водорода, что позволяет отделить лигнин от целлюлозы и гемицеллюлозы, делая древесину белой и подготавливая ее к дальнейшей обработке. На последнем этапе образец погружается в полимер, обычно ПММА, при высоких температурах и вакууме, что заполняет пространство, ранее занимаемое лигнином, и создает прозрачный древесный композит.
Хотя процесс делигнификации оказался успешным, он ограничен лабораторными условиями и производством небольших образцов. Однако в 2018 году исследователи из Совместного инновационного центра Цзянсу разработали новый метод, который позволяет производить прозрачную древесину больших размеров и толщины. Несмотря на этот успех, остаются проблемы с механической стабильностью и оптическими характеристиками.
Характеристики прозрачной древесины
Древесина — это природный материал с выдающимися механическими свойствами, такими как высокая прочность и долговечность. Она делится на два типа: хвойную и лиственную. Несмотря на различия, оба типа имеют схожую иерархическую структура, что позволяет древесине эффективно перекачивать ионы и воду для фотосинтеза. В прозрачных древесных композитах удаление лигнина и сохранение целлюлозных трубок делают материал прочным и прозрачным.
Исследования показывают, что прозрачная древесина может быть изготовлена с использованием экологически чистых альтернатив.