Átlátszó fán dolgoznak a tudósok

Az átlátszó fának számos érdekes tulajdonsága van, amelyeket a kutatók remélik, hogy kiaknázhatnak. Az anyag fenntartható megoldás lehetne okostelefonok képernyőjéhez vagy hőszigetelt ablakokhoz.

Harminc évvel ezelőtt egy németországi botanikusnak egyszerű kívánsága volt: a fás növények belső működését anélkül szerette volna tanulmányozni, hogy szétvágta volna azokat. Siegfried Finknek a növényi sejtek pigmentjeinek kifehérítésével sikerült átlátszó faanyagot létrehoznia, és technikáját egy fatechnológiai folyóiratban publikálta. Az 1992-es cikk több mint egy évtizedig az átlátszó fával kapcsolatos utolsó szó maradt, amíg egy Lars Berglund nevű kutató bele nem botlott. Berglundot Fink felfedezése inspirálta, de nem botanikai okokból. A svédországi KTH Királyi Technológiai Intézetben dolgozó anyagtudós a polimer kompozitokra specializálódott, és az átlátszó műanyag robusztusabb alternatívájának megteremtése érdekelte. És nem ő volt az egyetlen, akit érdekeltek a fa erényei. Az óceán túloldalán a Marylandi Egyetem kutatói egy hasonló céllal foglalkoztak: a fa szilárdságának nem hagyományos célokra való hasznosításával.

Most, többéves kísérletezés után, e csoportok kutatásai kezdik meghozni gyümölcsüket. Az átlátszó fát hamarosan felhasználhatják az okostelefonok szupererős képernyőiben, világító lámpatestekben, sőt, akár szerkezeti elemként, például színváltó ablakokban is.

A fa számtalan kis függőleges csatornából áll, mint egy ragasztóval összefogott, szoros szalmaszál köteg. Ezek a cső alakú sejtek szállítják a vizet és a tápanyagokat az egész fában, és amikor a fát kitermelik és a nedvesség elpárolog, légzsebek maradnak vissza. Az átlátszó fa létrehozásához a tudósoknak először módosítaniuk kell a lignin nevű ragasztót, vagy meg kell szabadulniuk tőle, amely a sejtkötegeket összetartja, és amely a törzsek és ágak földbarna színét adja. A lignin kifehérítése vagy más módon történő eltávolítása után az üreges sejtek tejfehér váza marad. Ez a váz még mindig átlátszatlan, mivel a sejtfalak más mértékben hajlítják a fényt, mint a sejtzsebek levegője - ezt az értéket törésmutatónak nevezik. A légzsebek feltöltése például epoxigyantával - amely a sejtfalakhoz hasonló mértékben hajlítja a fényt - átlátszóvá teszi a fát.


A tudósok vékony, jellemzően egy millimétertől körülbelül egy centiméterig terjedő vastagságú anyaggal dolgoznak. A sejtek azonban erős méhsejtes szerkezetet hoznak létre, és az apró faanyagszálak erősebbek, mint a legjobb szénszálak - mondta Liangbing Hu anyagtudós, aki a Marylandi Egyetemen az átlátszó fán dolgozó kutatócsoportot vezeti. A gyanta hozzáadásával pedig az átlátszó fa felülmúlja a műanyagot és az üveget. Az olyan tesztek során, amelyekben azt mérték, hogy az anyagok milyen könnyen törnek el nyomás alatt, az átlátszó fa körülbelül háromszor erősebbnek bizonyult, mint az átlátszó műanyagok, például a plexiüveg, és körülbelül tízszer keményebbnek, mint az üveg. "Az eredmények elképesztőek. Egy darab fa olyan erős lehet, mint az üveg" - mondja Hu, aki az átlátszó fa tulajdonságait a 2023 Annual Review of Materials Research című folyóiratban emelte ki.

Az eljárás vastagabb faanyaggal is működik, de ezen az anyagon keresztül homályosabb a kilátás, mert több fényt szór. Eredeti, 2016-os tanulmányaikban Hu és Berglund egyaránt azt találták, hogy a gyantával töltött fa vázának millimétervékony lapjai a fény 80-90 százalékát engedik át. Ahogy a vastagság közelít a centiméterhez, úgy csökken a fényáteresztő képesség: Berglund csoportja arról számolt be, hogy a 3,7 milliméter vastag fa a fénynek csak 40 százalékát engedte át. Az anyag vékony profilja és szilárdsága miatt nagyszerű alternatívája lehet a vékony, könnyen törő műanyagból vagy üvegből készült termékeknek, például a kijelzőknek. A francia Woodoo cég például hasonló lignineltávolítási eljárást alkalmaz faképernyőinél, de egy kis lignint meghagy, hogy eltérő színesztétikát hozzon létre. A vállalat újrahasznosítható, érintésérzékeny digitális kijelzőit olyan termékekhez szabja, mint az autók műszerfala és a reklámtáblák.

A legtöbb kutatás azonban az áttetsző fára, mint építészeti elemre összpontosít, különösen az ablakok ígéretes felhasználási módjára. Az átlátszó fa sokkal jobb szigetelőanyag, mint az üveg, így segíthet az épületeknek megtartani a hőt, illetve távol tartani azt. Hu és kollégái polivinil-alkoholt vagy PVA-t - egy ragasztóban és élelmiszercsomagolásban használt polimert - is használtak, hogy beszivárogtassák a fa vázát, így olyan átlátszó fát készítettek, amely ötször kisebb mértékben vezeti a hőt, mint az üveg.


A kutatók pedig más módosításokat is kidolgoznak a fa hőmegtartó és hőleadó képességének növelésére, ami hasznos lenne az energiahatékony épületek számára. Céline Montanari, a svédországi RISE Research Institutes anyagtudósa és kollégái fázisváltó anyagokkal kísérleteztek, amelyek a hő tárolásáról a hő leadására váltanak, amikor szilárdból folyadékká válnak, vagy fordítva. A polietilén-glikol beépítésével például a tudósok azt találták, hogy a faanyaguk képes hőt tárolni, amikor meleg, és hőt leadni, amikor lehűl. Az átlátszó faablakok így erősebbek lennének, és jobban segítenék a hőmérséklet szabályozását, mint a hagyományos üveg, de a kilátás rajtuk keresztül homályos lenne, jobban hasonlítana a matt üveghez, mint egy hagyományos ablakhoz. A homályosság azonban előny lehet, ha a felhasználók diffúz fényt szeretnének. Mivel a vastagabb fa erős, Berglund szerint részben teherhordó fényforrásként működhetne, olyan mennyezetként, amely lágy környezeti fényt ad a szobának.

Hu és Berglund tovább játszadozott azzal, hogyan lehet új tulajdonságokkal felruházni az átlátszó fát. Körülbelül öt évvel ezelőtt Berglund és kollégái a KTH-n és a Georgia Institute of Technology-n rájöttek, hogy képesek utánozni az intelligens ablakokat, amelyek átlátszóról színezettre tudnak váltani, hogy elzárják a láthatóságot vagy a napsugarakat. A kutatók egy elektrokromatikus polimert - egy olyan anyagot, amely elektromossággal képes színt változtatni - szendvicsszerűen helyeztek el az elektromosságot vezető elektródpolimerrel bevont átlátszó fából készült rétegek között. Ezáltal egy olyan faanyagot hoztak létre, amely átlátszóról magenta színűre változik, amikor a felhasználók egy kis elektromos áramot vezetnek rajta keresztül.

A közelmúltban a két csoport figyelmét az átlátszó fa előállításának fenntarthatóságának javítására fordította. Például a "faállványzat" kitöltéséhez használt gyanta jellemzően kőolajból származó műanyag termék, ezért jobb elkerülni a használatát, mondja Montanari. Helyettesítésére ő és kollégái egy teljesen bioalapú polimert találtak fel, amely citrusfélék héjából származik. A csapat először az akrilsavat és a limonént kombinálta, egy citrom- és narancshéjból kivont vegyi anyagot, amely az illóolajokban is megtalálható. Ezután delignifikált fát impregnáltak vele. A bioalapú átlátszó fa még a gyümölcsös töltelékkel együtt is megőrizte mechanikai és optikai tulajdonságait, mintegy 30 megapaszkállal jobban bírta a nyomást, mint a hagyományos fa, és a fény mintegy 90 százalékát áteresztette.


Hu laboratóriuma eközben a Science Advances című tudományos folyóiratban egy zöldebb lignin-fehérítési módszerről számolt be, amely a hidrogén-peroxidra és az UV-sugárzásra támaszkodik, tovább csökkentve a gyártás energiaigényét. A csapat körülbelül 0,5 és 3,5 milliméter közötti vastagságú fadarabokat ecsetelt hidrogén-peroxiddal, majd a napsugarakat utánzó UV-lámpák előtt hagyta őket. Az UV kifehérítette a lignin pigmenttartalmú részeit, de a szerkezeti részeket érintetlenül hagyta, így segítve a fa nagyobb szilárdságának megőrzését.

Ezek a környezetbarátabb megközelítések segítenek korlátozni a gyártás során felhasznált mérgező vegyi anyagok és fosszilis alapú polimerek mennyiségét, de egyelőre az üvegnek még mindig kisebb az életciklus végi környezeti hatása, mint az átlátszó fának. A kutatók szerint a környezetbarátabb termelési rendszerek elfogadása és a gyártás bővítése két szükséges lépés ahhoz, hogy az átlátszó fa bekerüljön a fő piacokra, de ez időbe telik. Ugyanakkor bíznak abban, hogy ez megvalósítható, és hisznek a benne rejlő lehetőségekben, mint fenntartható anyagban. "Amikor a fenntarthatóságot próbáljuk elérni, nem csak a fosszilis alapú anyagok tulajdonságainak akarunk megfelelni" - mondja Montanari. "Tudósként ezt szeretném túlszárnyalni".