چرا دانشمندان چوب شفاف می‌سازند؟ / قوی‌تر از پلاستیک و محکم‌تر از شیشه

فرارو- سی سال پیش گیاه شناسی در آلمان یک آرزوی ساده داشت: مشاهده عملکرد درونی گیاهان چوبی بدون تشریح آن ها. "زیگفرید فینک" با سفید کردن رنگدانه‌های موجود در سلول‌های گیاهی موفق شد چوب شفاف ایجاد کند و گزارش تکنیک خود را در مجله فناوری چوب منتشر کرد.

به گزارش فرارو به نقل از ال پائیس، مقاله منتشر شده او در سال ۱۹۹۲ میلادی آخرین کلمه در مورد چوب شفاف برای بیش از یک دهه باقی ماند تا این که محققی به نام "لارس برگلوند" به طور تصادفی با آن برخورد کرد. برگلوند  از کشف فینک الهام گرفت،  اما نه به دلایل مرتبط گیاه شناسی. این دانشمند مواد که در موسسه فناوری سلطنتی KTH در سوئد کار می‌کند و در حوزه کامپوزیت‌های پلیمری تخصص دارد علاقمند به ایجاد یک جایگزین قوی‌تر برای پلاستیک شفاف بود. او تنها کسی نبود که به مزیت‌های چوب علاقه داشت. محققان دانشگاه مریلند نیز مشغول یک هدف مرتبط بودند: مهار استحکام چوب برای اهداف غیر سنتی.

اکنون پس از سال‌ها آزمایش تحقیقات این گروه‌ها در حال به ثمر نشستن است. چوب شفاف به زودی می‌تواند در صفحات نمایشگر فوق العاده قوی برای گوشی‌های تلفن هوشمند کاربرد پیدا کند در وسایل نوری نرم و درخشان و حتی به عنوان ویژگی‌های ساختاری مانند پنجره‌های با قابلیت تغییر رنگ.

"کیلیانگ فو" متخصص نانوتکنولوژی چوب در دانشگاه جنگلداری نانجینگ در چین که به عنوان دانشجوی فارغ التحصیل در آزمایشگاه برگلوند کار می‌کرد می‌گوید:"من واقعا معتقدم که این ماده آینده امیدوارکننده‌ای دارد".

چوب از کانال‌های عمودی بی شماری تشکیل شده است مانند یک بسته نی محکم که با چسب به هم متصل شده اند. این سلول‌های لوله‌ای شکل آب و مواد مغذی را به سراسر درخت انتقال می‌دهند و زمانی که درخت برداشت شده و رطوبت آن تبخیر می‌شود حفره‌هایی از هوا باقی می‌مانند. برای ایجاد چوب شفاف دانشمندان ابتدا باید چسبی به نام لیگنین را اصلاح کنند یا از شر آن خلاص شوند چرا که دسته‌های سلولی را در کنار هم نگه می‌دارد و بیش‌تر رنگ‌های قهوه‌ای خاکی را به تنه‌ها و شاخه‌ها می‌بخشد. پس از سفید کردن  رنگ لیگنین یا حذف آن، یک اسکلت سفید شیری رنگ از سلول‌های توخالی باقی می‌ماند. این اسکلت هنوز مات است، زیرا دیواره‌های سلولی نور را به درجاتی متفاوت از هوای موجود در کیسه‌های سلولی می‌شکنند مقداری که ضریب شکست نامیده می‌شود.

پر کردن محفظه‌های هوا با ماده‌ای مانند رزین اپوکسی که نور را به درجه‌ای مشابه در دیواره سلولی می‌شکند چوب را شفاف می‌سازد. موادی که دانشمندان با آن کار کردند نازک هستند و معمولا کم‌تر از یک میلی متر تا حدود یک سانتی متر ضخامت دارند. لیانگ بینگ هو دانشمند مواد که سرپرستی گروه تحقیقاتی که روی چوب شفاف در دانشگاه مریلند کار می‌کند را برعهده دارد می‌گوید سلول‌ها ساختار لانه زنبوری محکمی ایجاد می‌کنند و الیاف ریز چوب قوی‌تر از بهترین الیاف کربن هستند با افزودن رزین چوب شفاف از پلاستیک و شیشه بهتر عمل می‌کند: در آزمایش‌هایی که اندازه گیری آسانی شکستن یا شکستن مواد تحت فشار انجام شد مشخص شده بود که  چوب شفاف سه برابر قوی‌تر از پلاستیک‌های شفاف مانند پلکسی گلاس و حدود ده برابر سخت‌تر از شیشه عمل می‌کند. هو که ویژگی‌های چوب شفاف را در بررسی سالانه تحقیقات مواد در سال ۲۰۲۳ برجسته ساخته می‌گوید:"نتایج شگفت انگیز هستند این که یک تکه چوب می‌تواند به اندازه شیشه قوی باشد".

این فرآیند با چوب ضخیم‌تر نیز کار می‌کند، اما نمای آن ماده تیره‌تر است، زیرا نور بیش تری را پخش می‌کند. هو و برگلوند در مطالعات اولیه خود در سال ۲۰۱۶ میلادی هر دو دریافتند که ورقه‌های نازک میلی متری اسکلت چوبی مملو از رزین ۸۰ تا ۹۰ درصد نور را از خود عبور می‌دهند. با نزدیک‌تر شدن ضخامت به یک سانتی متر عبور نور کاهش می‌یابد. گروه تحت رهبری برگلوند گزارش داد که چوب با ضخامت ۳.۷ میلی متر صرفا ۴۰ درصد نور را از خود عبور می‌دهد.

ویژگی باریک بودن و استحکام آن ماده بدان معناست که می‌تواند جایگزینی عالی برای مخصولات ساخته شده از برش‌های نازک پلاستیک یا شیشه مانند صفحات نمایشگر باشد. برای مثال، شرکت فرانسوی Woodoo  از فرآیند حذف لیگنین مشابه در صفحه‌های چوبی خود استفاده می‌کند، اما مقداری لیگنین را برای ایجاد زیبایی رنگ متفاوت باقی می‌گذارد. این شرکت نمایشگر‌های دیجیتالی قابل بازیافت و حساس به لمس خود را برای محصولاتی از جمله داشبورد خودرو و بیلبورد‌های تبلیغاتی طراحی می‌کند.

گپرودیوت دار" مهندس بیوشیمی در موسسه فناوری واراناسی هندوستان می‌گوید:"با این وجود، اکثر تحقیقات بر روی چوب شفاف به عنوان یک ویژگی معماری متمرکز شده اند و استفاده از آن در پنجره‌ها بسیار امیدوار کننده است. چوب شفاف عایق بسیار بهتری نسبت به شیشه است بنابراین، می‌تواند به ساختمان‌ها در حفظ گرما یا جلوگیری از آن کمک کند. آن  تیم در سال ۲۰۱۹ با انتشار مقاله‌ای گزارش داد که هو و همکاران اش هم چنین از پلی وینیل الکل  یا  PVA پلیمری که در چسب و بسته بندی مواد غذایی از آن استفاده می‌شود برای نفوذ به اسکلت‌های چوبی استفاده کرده اند و چوب شفافی می‌سازند که حرارت را با سرعتی پنج برابر کمتر از شیشه هدایت می‌کند. محققان در حال ارائه ترفند‌های دیگری برای افزایش توانایی چوب به منظور نگهداری یا آزاد کردن گرما هستند که به برای کاربرد در ساختمان‌های کم مصرف از نظر انرژی مفید است.

"سلین مونتاناری" دانشمند مواد در موسسه تحقیقاتی RISE سوئد و همکاران اش آزمایشی را با مواد تغییر فاز دهنده انجام دادند موادی که وقتی از جامد به مایع تبدیل می‌شوند از ذخیره به گرمای آزاد شده تبدیل خواهند شد یا بالعکس. برای مثال، دانشمندان با ترکیب  پلی اتیلن گلیکول دریافتند که چوب آنان می‌تواند گرما را در زمان گرم بودن ذخیره کند و حین سرد شدن گرما را آزاد کند کاری که آنان نتایج مشاهدات شان درباره آن را در سال ۲۰۱۹ میلادی در نشریه ACS Applied Materials and Interfaces منتشر کردند.

بنابراین، پنجره‌های چوبی شفاف قوی‌تر هستند و بهتر از شیشه‌های سنتی به کنترل دما کمک می‌کنند، اما نمای آن‌ها مه آلود است و بیش‌تر شبیه شیشه‌های مات به نظر می‌رسد تا شیشه پنچره‌های معمولی. با این وجود، اگر کاربران  نور پراکنده بخواهند تیرگی می‌تواند یک مزیت باشد: از آنجایی که چوب ضخیم‌تر قوی است می‌تواند یک منبع نور تا حدی باربر باشد که به طور بالقوه به عنوان سقفی عمل می‌کند که نور ملایم و محیطی را برای اتاق فراهم می‌سازد.

هو و برگلوند به بازی با روش‌هایی برای اعطای خواص جدید به چوب شفاف ادامه داده اند. برگلوند حدود پنج سال پیش به همراه همکاران اش در  KTH و موسسه فناوری جورجیا دریافتند که می‌توانند پنجره‌های هوشمند را تقلید کنند پنجره‌هایی که قادر هستند از شفاف به رنگی تبدیل شوند تا دید یا پرتو‌های خورشید را مسدود کنند. محققان یک پلیمر الکتروکرومیک ماده‌ای که می‌تواند با الکتریسیته تغییر رنگ دهد را بین لایه‌های چوب شفاف پوشیده شده با پلیمر الکترودی قرار دادند تا الکتریسیته را هدایت کند. آن ماده که صفحه چوبی ایجاد کرد زمانی که کاربران جریان الکتریکی کمی را از آن عبور می‌دهند از شفاف به سرخابی تغیر رنگ پیدا می‌کند.

اخیرا آن دو گروه توجه خود را به بهبود پایداری تولید چوب شفاف معطوف کرده اند. برای مثال، رزین مورد استفاده به منظور  پر کردن داربست‌های چوبی معمولا یک محصول پلاستیکی مشتق شده از نفت می‌باشد. بنابراین، بهتر است از اسئفاده از آن خودداری ورزید. برای ارائه بدیل برگلوند و همکاران اش یک پلیمر کاملا زیستی را اختراع کردند که از پوست مرکبات مشتق شده بود. آن تیم ابتدا اسید اکریلیک و لیمونن یک ماده شیمیایی استخراج شده از پوست لیمو و پرتقال را که در روغن‌های ضروری یافت می‌شود ترکیب کردند. سپس چوب‌های خوش رنگ را با آن آغشته نمودند.

محققان در سال ۲۰۲۱ میلادی در نشریه Advanced Science گزارش دادند که حتی با پر کردن میوه‌ای نیز چوب شفاف مبتنی بر فناوری زیستی خواص مکانیکی و نوری خود را حفظ کرد و حدود ۳۰ مگا پاسکال فشار بیش‌تر از چوب معمولی را تحمل نمود و حدود ۹۰ درصد نور را از خود عبور داد. در همین حال، آزمایشگاه تحت رهبری هو اخیرا با انتشار گزارشی در Science Advances به روش سازگارتر با محیط زیست برای سفید کردن  لیگنین اشاره کرده که مبتنی بر  پراکسید هیدروژن و اشعه ماوراء بنفش است و  انرژی مورد نیاز تولید را کاهش می‌دهد.

آن تیم برش‌های  چوبی با ضخامت حدود ۰.۵ تا ۳.۵ میلی متر را با پراکسید هیدروژن آغشته کردند سپس آن برش‌ها را در مقابل لامپ‌های مبتنی بر اشعه ماوراء بنفش قرار دادند تا نتیجه مشابه قرار گرفتن در مقابل اشعه خورشید را تقلید کنند. اشعه ماوراء بنفش قسمت‌های حاوی رنگدانه لیگنین را سفید کرد، اما قسمت‌های ساختاری را دست نخورده باقی گذاشت. بنابراین، به حفظ استحکام بیشتر در چوب کمک نمود.

 این رویکرد‌های سازگارتر با محیط زیست به محدود کردن میزان مواد شیمیایی سمی و پلیمر‌های مبتنی بر فسیل در تولید کمک می‌کند، اما بر اساس تحلیل دار و همکاران اش که در نشریه ساینس منتشر شده در حال حاضر شیشه کماکان اثرات زیست محیطی پایان عمر کمتری نسبت به چوب شفاف دارد. به گفته محققان استقبال از طرح تولید سازگارتر با محیط زیست و افزایش تولید دو مرحله ضروری برای افزودن چوب شفاف به بازار‌های اصلی است، اما زمان بر خواهد بود. با این وجود، آنان مطمئن هستند که می‌توان این کار را انجام داد و به ظرفیت بالقوه آن به عنوان یک ماده پایدار باور دارند.