¿Por qué los científicos fabrican madera transparente?

Durante 30 años, un botánico alemán tuvo un simple deseo: ver la función interna de las plantas leñosas sin diseccionarlas. Siegfried Fink pensó en crear la resina transparente blanqueando los pigmentos de las células vegetales y publicó su técnica en una revista especializada en tecnología cerámica. El artículo de 1992 fue la última palabra sobre fabricación transparente durante más de una década, hasta que un investigador llamado Lars Berglund se dio cuenta.

Berglund se inspiró en el descubrimiento de Fink, pero no por razones botánicas. El científico de materiales, que trabaja en el Real Instituto de Tecnología KTH de Suecia, está especializado en compuestos poliméricos y está interesado en crear una alternativa más robusta al plástico transparente. Y nadie fue el único interesado en las virtudes de la madera. Al otro lado del océano, investigadores de la Universidad de Maryland se encontraron trabajando en un objetivo relacionado: probar la resistencia de la piedra para detectar finos no tradicionales.

Ahora, tras años de experimentos, las investigaciones de estos grupos han comenzado a dar frutos. La cama transparente podría utilizarse inmediatamente en pantallas superresistentes para teléfonos inteligentes, en lámparas de luz suave e incluso en elementos estructurales, como ventanas que cambian de color.

«Creo sinceramente que este material tiene un futuro prometedor», dice Qiliang Fu, fabricante de nanotecnología de la Universidad Forestal de Nanjing, China, que trabajó en el laboratorio de Berglund como estudiante de posgrado.

La estructura está formada por innumerables pequeños canales verticales, un modo de separación combinado o un par de pajitas individuales con fijación. Estas células en forma de tubo transportan agua y nutrientes desde todo el árbol y, a medida que se secan y la humedad se evapora, actúan como bolsas de aire. Para crear una estructura transparente, los científicos primero intentaron modificar o eliminar el pegamento, llamado lignina, que mantiene unidos los pelos de las células y da a los troncos y cobres la mayor parte de sus tonos marrones terrosos. Al blanquear el color de la lignina o eliminarla, conseguirás un tono blanco limpio en tus células.

Este ejemplo permanece opaco porque las paredes celulares pierden luz de forma distinta al igual que el aire de las cavidades celulares, un valor llamado índice de refracción. Cuando se llenan las bolsas de aire con una sustancia como resina epoxi, que ve la luz en un grado similar a las paredes celulares, la lona se vuelve transparente.

El material con el que trabajan los científicos es delicado: debe tener entre un milímetro y un centímetro de anclaje. Pero las células crean una estructura de panel fuerte, y las pequeñas fibras de madera son más fuertes que las mejores fibras de carbono, confirma el científico de materiales Liangbing Hu, que dirige el Grupo de Investigación de la Facultad de Piedra Transparente de la Universidad de Maryland. Y con resina agregada, el plástico transparente supera al plástico y al vidrio: al probar la facilidad con la que los materiales se fracturan o rompen bajo baja presión, el plástico transparente fue tres veces más fuerte que el plástico transparente como el vidrio, el vidrio de plexiglás es 10 veces más fuerte que el vidrio.

“Los resultados son sorprendentes: un trozo de madera puede ser tan resistente como el vidrio”, afirma Hu, que resta importancia a las características de la madera transparente Revisión anual de la investigación de materiales de 2023.

El proceso también funciona con el proceso más sangriento, pero la visión a través de esta sustancia es más borrosa porque está más dispersa que la luz. En sus estudios originales de 2016, Hu y Berglund descubrieron que láminas milimétricas de conchas de resina rellenas de resina dejan pasar entre el 80% y el 90% de la luz. A medida que la masa se acerca al centímetro, el tono de la luz disminuye: el grupo de Berglund informa que la masa de 3,7 milímetros (aproximadamente la masa de dos centavos) sólo atraviesa el 40% de la luz.

El perfil deshilachado y la resistencia del material pueden ser una excelente alternativa a los productos hechos de vidrio o plástico deshilachado y a los mamelucos sencillos, como los paneles de exhibición. La empresa francesa Woodoo, por ejemplo, utiliza un proceso similar para eliminar la lignina de sus paneles de madera, pero deja algo de lignina para crear una estética de color diferente. La empresa está adaptando sus pantallas digitales táctiles y reciclables a productos como los de automóviles y displays publicitarios.

Pero la mayoría de las investigaciones se han centrado en la madera transparente como elemento arquitectónico, siendo las ventanas un uso especialmente potente, afirma Prodyut Dhar, ingeniero bioquímico del Instituto Indio de Tecnología de Benarés. La estructura transparente es mucho más aislante que el vidrio, lo que ayuda a los edificios a retener el calor o mantenerlo fuera. Hu y sus colegas también utilizan alcohol polivinílico, o PVA, un polímero utilizado en ligamentos y envases de alimentos, para infiltrarse en esqueletos de madera, produciendo madera transparente que conduce el calor cinco veces menos rápido que el vidrio, informé al equipo en 2019. Materiales funcionales avanzados.

Y los investigadores están pensando en otras formas de aumentar la capacidad de la estructura para retener o liberar calor, lo que sería útil para edificios energéticamente eficientes. Céline Montanari, científica de materiales del Institutos de Investigación RISE de Suecia, y sus colegas experimentan con materiales de cambio de fase, que pasan de almacenar a liberar calor cuando pasan de un estado sólido a uno líquido, o viceversa. Al incorporar polietilenglicol, por ejemplo, los científicos descubrieron que su casa podía almacenar calor cuando estaba caliente y liberarlo cuando se enfriaba, trabajo que publicaron Materiales e interfaces aplicados a ACS. en 2019.

En el último caso, las ventanas de madera transparente serán más duraderas y ayudarán a controlar las temperaturas mejor que el vidrio tradicional, pero la vista a través de ellas será turbia, más parecida al vidrio esmaltado que a una ventana normal. Sin embargo, la lámpara podría ser una ventaja si los usuarios quieren una luz difusa: como la estructura es más dura y resistente, podría ser una fuente de luz que soporte parte del peso de un edificio, como por ejemplo un técnico que proporcionará una luz suave a un habitación , dice Berglund.

Hu y Berglund continúan el juego buscando formas de nuevas propiedades en la estructura transparente. Han pasado cinco años desde que Berglund y sus colegas de KTH y el Instituto Tecnológico de Georgia descubrieron que las ventanas inteligentes se pueden imitar, que pueden cambiar las transparencias de color para bloquear la visibilidad o los rayos del sol. Los investigadores intercalaron un polímero electrocrómico (una sustancia que puede cambiar de color con la electricidad) entre tapas de madera transparentes recubiertas con un polímero electrolítico para conducir la electricidad. Así se creó un panel de madera que cambia de transparente a magenta cuando los usuarios pasan por delante de una pequeña corriente eléctrica.

Más recientemente, los dos grupos han centrado su atención en mejorar la sostenibilidad de la producción de madera transparente. Por ejemplo, la resina utilizada para rellenar las lonas es un producto plástico a base de petróleo, por lo que es mejor evitar su uso, dice Montanari. A cambio, ella y sus colegas inventaron un polímero totalmente orgánico, derivado de cascadas de cítricos. El equipo combina ácido acrílico y imprimación de limón, una sustancia química extraída de las cascadas de limón y nuez que se encuentran en alimentos esenciales. Luego se sumergirá en madera deslignificada. Incluido con el color afrutado, el color transparente de base biológica mantiene sus propiedades mecánicas y ópticas, soporta 30 megapascales de presión más que el color normal y transmite el 90% de la luz al exterior, según información de investigadores de 2021. ciencia avanzada.

El laboratorio de Hu, por su parte, ha sido publicado. Avances en la ciencia un método de blanqueo de lignina más ecológico, basado en peróxido de hidrógeno y radiación UV, que reduce aún más la demanda de energía de producción. La canasta se combina con gotas de peróxido de hidrógeno de madera de entre 0,5 y 3,5 mm de espesor y luego se coloca frente a lámparas ultravioleta para imitar los rayos del sol. Los rayos UV blanquean las partes de la lignina que contienen pigmentos, pero van más allá de las partes estructurales. intacto, lo que le ayuda a conservar más la fuerza de Madeira.

Estas plantas, más respetuosas con el medio ambiente, ayudan a limitar la cantidad de productos químicos tóxicos y polímeros fósiles utilizados en la fabricación, pero el vidrio sigue teniendo ahora un impacto medioambiental menor al final de su vida útil, gracias a su estructura transparente, según un análisis de Dhar y su equipo. colegas ciencia ambiental total. Los investigadores dicen que adoptar sistemas de producción más ecológicos y ampliar la fabricación son los pasos necesarios para introducir la madera transparente en los principales mercados, pero llevará tiempo. Sin embargo, confío en lo que es posible y creo su potencial como material sostenible.

«Cuando se quiere lograr la sostenibilidad, no sólo hay que igualar las propiedades de los materiales de origen fósil», afirma Montanari. “Qué científico quiero superarlo”.