تلاش دانشمندان برای ساخت چوب‌های شفاف

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل از  پاپ سای، سی سال پیش، یک گیاه شناس آلمانی آرزوی ساده ای داشت: دیدن عملکرد درونی گیاهان چوبی بدون تشریح آن‌ها.

«زیگفرید فینک» «Siegfried Fink» با سفید کردن رنگدانه‌های موجود در سلول‌های گیاهی، موفق شد چوب شفاف ایجاد کند و روش خود را در یک مجله فناوری چوب منتشر کرد. این مقاله که در سال  ۱۹۹۲ منتشر شد آخرین مقاله در مورد چوب شفاف برای بیش از یک دهه باقی ماند تا اینکه محققی به نام «لارس برگلوند» به طور تصادفی با آن برخورد کرد.

برگلند از کشف فینک الهام گرفت، اما نه به دلایل گیاه شناسی. این دانشمند مواد در موسسه فناوری سلطنتی KTH در سوئد، در ساخت کامپوزیت‌های پلیمری تخصص دارد و علاقه‌مند به ساخت جایگزین قوی تری برای پلاستیک شفاف است. در این مسیر او تنها نبود. محققان دانشگاه مریلند نیز مشغول یک هدف مرتبط بودند: مهار استحکام چوب برای اهداف غیر رایج.

اکنون پس از سال‌ها آزمایش، تحقیقات این گروه‌ها در حال به ثمر نشستن است. چوب شفاف به زودی می‌تواند در صفحه نمایش‌های فوق العاده قوی برای گوشی‌های هوشمند، در وسایل نوری نرم و درخشان و حتی به عنوان ویژگی‌های ساختاری، مانند پنجره‌هایی که تغییر رنگ می‌دهند، به کار گرفته شود.

چوب از کانال‌های عمودی بی شماری تشکیل شده است، مانند دسته‌ای محکم از نی که با چسب به هم متصل شده اند. این سلول‌های لوله‌ای شکل، آب و مواد مغذی را در سراسر درخت انتقال می‌دهند و وقتی درخت بریده و رطوبت تبخیر می‌شود، حفره‌هایی از هوا باقی می‌ماند.

برای ایجاد چوب شفاف، دانشمندان ابتدا باید چسبی به نام لیگنین را اصلاح کنند یا از شر آن خلاص شوند که دسته‌های سلولی را در کنار هم نگه می‌دارد و بیشتر رنگ‌های قهوه‌ای خاکی را به تنه‌ها و شاخه‌ها می‌دهد. پس از سفید کردن رنگ لیگنین یا حذف آن، یک اسکلت سفید شیری از سلول‌های توخالی باقی می‌ماند.

این اسکلت هنوز مات است، زیرا دیواره‌های سلولی، نور را به درجاتی متفاوت از هوای درون سلول‌ها خم می‌کنند؛ مقداری که ضریب شکست نامیده می‌شود. پر کردن محفظه‌های هوا با ماده‌ای مانند رزین اپوکسی که نور را به درجه‌ای مشابه به دیواره سلولی خم می‌کند، چوب را شفاف می‌سازد.

موادی که دانشمندان با آن کار کردند نازک است و معمولاً کمتر از یک میلی‌متر تا حدود یک سانتی‌متر ضخامت دارد.

«لیانگ بینگ هو» «Liangbing Hu» دانشمند مواد و سرپرست گروه تحقیقاتی چوب شفاف در دانشگاه مریلند، می‌گوید:، اما سلول‌ها ساختار لانه زنبوری محکمی ایجاد می‌کنند و الیاف ریز چوب قوی‌تر از بهترین الیاف کربن هستند. وقتی رزین به چوب افزوده شود، چوب شفاف از پلاستیک و شیشه برتری دارد.

محققان با انجام آزمایش‌هایی برای اندازه گیری میزان شکستگی و ترک خوردگی مواد تحت فشار، دریافتند چوب شفاف سه برابر قوی‌تر از پلاستیک‌های شفاف مانند پلکسی گلاس و حدود ۱۰ برابر سخت‌تر از شیشه است.

این فرآیند با چوب ضخیم‌تر نیز کار می‌کند، اما نمای آن ماده تیره‌تر است، زیرا نور بیشتری را پخش می‌کند.

این محققان در مطالعات اولیه خود در سال ۲۰۱۶، دریافتند ورقه‌های نازک میلی متری اسکلت‌های چوبی پر از رزین ۸۰ تا ۹۰ درصد نور را از خود عبور می‌دهند. با نزدیک‌تر شدن ضخامت به یک سانتی‌متر، عبور نور کاهش می‌یابد:به گفته آن‌ها چوب با ضخامت ۳.۷ میلی‌متر فقط ۴۰ درصد نور را از خود عبور می‌دهد.

مشخصات باریک و استحکام این ماده به این معنی است که می‌تواند جایگزینی عالی برای محصولات ساخته شده از برش‌های نازک پلاستیک یا شیشه، مانند صفحه نمایش، باشد.

به‌عنوان مثال، شرکت فرانسوی «وودو» «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.

اکنون دانشمندان در سراسر جهان بر روی چوب شفاف به عنوان یک ابزار معماری متمرکز شده اند که به ویژه برای پنجره‌ها کاربرد امیدوارکننده‌ای دارند. چوب شفاف عایق بسیار بهتری نسبت به شیشه است، بنابراین می‌تواند به ساختمان‌ها در حفظ گرما کمک کند.

هو و همکارانش در سال ۲۰۱۹ طی مقاله‌ای در نشریه «Advanced Functional Materials» همچنین از «پلی وینیل الکل» «PVA»  پلیمری که در چسب و بسته بندی مواد غذایی استفاده می‌شود برای نفوذ به اسکلت‌های چوب استفاده کرده و چوب شفافی ساختند که گرما را با سرعتی پنج برابر کمتر از شیشه هدایت می‌کند.

محققان در حال ارائه ترفند‌های دیگری برای افزایش توانایی چوب برای نگهداری یا آزاد کردن گرما هستند که برای ساختمان‌های کم مصرف مفید است.

«سلین مونتاناری» «Céline Montanari» دانشمند مواد در مؤسسه تحقیقاتی RISE سوئد و همکارانش با مواد تغییر فاز آزمایش کردند؛ موادی که وقتی از جامد به مایع تبدیل می‌شوند، گرما را از حالت ذخیره آزاد کرده یا برعکس. آن‌ها دریافتند با ترکیب پلی اتیلن گلیکول، چوب آن‌ها می‌تواند در هوای گرم، گرما را ذخیره و در هنگام سرد شدن هوا، آن گرما را آزاد کند. تحقیقاتی که نتایج آن در سال ۲۰۱۹ در نشریه ACS Applied Materials and Interfaces  منتشر شد.

پنجره‌های چوبی شفاف، قوی‌تر هستند و بهتر از شیشه‌های رایج به کنترل دما کمک می‌کنند، اما نمای آن‌ها مه آلود و تار است و بیشتر شبیه شیشه‌های مات به نظر می‌رسد تا پنجره‌های معمولی. با این حال، اگر کاربران نور پراکنده بخواهند، تیرگی می‌تواند یک مزیت باشد: از آنجایی که چوب ضخیم تر، استحکام بیشتری دارد پس می‌تواند منبع نوری باشد که وزن را نیز تحمل می‌کند و به طور بالقوه به عنوان سقفی عمل می‌کند که نور ملایم و محیطی را نیز به اتاق راه می‌دهد.

این گروه از دانشمندان به تازگی توجه خود را به بهبود پایداری تولید چوب شفاف معطوف کرده اند. به عنوان مثال، رزین مورد استفاده برای پر کردن داربست‌های چوبی معمولاً یک محصول پلاستیکی مشتق شده از نفت است، بنابراین بهتر است از استفاده از آن خودداری شود. آن‌ها به عنوان جایگزین، پلیمر کاملاً زیستی را اختراع کردند که از پوست مرکبات مشتق شده است. این گروه ابتدا اسید اکریلیک و لیمونن را که یک ماده شیمیایی به دست آمده از پوست لیمو و پرتقال است و در روغن اسانس‌ها یافت می‌شود ترکیب کردند. سپس چوب‌های خوش رنگ را با آن آغشته کردند. با وجود افزوده شدن این مواد میوه ای، چوب‌های شفاف زیستی خواص مکانیکی و نوری را حفظ، ۳۰ مگاپاسکال فشار را بیش از چوب‌های معمولی تحمل کرده و ۹۰ درصد نور را عبور می‌دهند.

این رویکرد‌های سازگارتر با محیط زیست به محدود کردن میزان مواد شیمیایی سمی و پلیمر‌های مبتنی بر فسیل در تولید کمک می‌کند، اما در حال حاضر، طبق تجزیه و تحلیلی که توسط انجام شده، شیشه هنوز اثرات زیست محیطی پایان عمر کمتری نسبت به چوب شفاف دارد.

استقبال از طرح‌های تولید سبزتر و افزایش تولید، دو مرحله ضروری برای افزودن چوب شفاف به بازار‌های اصلی است، اما زمان می‌برد. با این حال، دانشمندان مطمئن هستند می‌توان آن را انجام داد و به پتانسیل آن به عنوان یک ماده پایدار اعتقاد دارند.