Διαφανές ξύλο

Ο όρος διαφανές ξύλο (αγγλ. transparent wood), ή επίσης και διαφανές σύνθετο ξύλο (αγγλ. transparent wood composite) αναφέρεται σε καινοτομικά υλικά ξύλου που έχουν έως και 90% διαφάνεια και μπορεί (ορισμένα) να έχουν υψηλότερες μηχανικές αντοχές από το ίδιο το ξύλο. 

Διαφανές ξύλο παρήχθη εργαστηριακά για πρώτη φορά το 1992. Αυτά τα νέα προϊόντα είναι πολύ πιο εύκολα βιοδιασπώμενα από το γυαλί και τα πλαστικά προϊόντα. Το διαφανές ξύλο είναι επίσης πολύ ανθεκτικό στη θραύση.

Ιστορική αναδρομή 
Ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Lars Berglund από το σουηδικό Πανεπιστήμιο KTH μαζί με μια ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ με επικεφαλής τον καθηγητή Liangbing Hu ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για την αφαίρεση του χρώματος και ορισμένων χημικών ουσιών από μικρά δοκίμια ξύλου, με επακόλουθη προσθήκη πολυμερικών ενώσεων, όπως π.χ. πολυ-μεθακρυλικό μεθυλεστέρα (PMMA) και εποξική ρητίνη, σε κυτταρικό επίπεδο, καθιστώντας τα δοκίμια διαφανή.

Μόλις κυκλοφόρησε η είδηση της νέας αυτής ευρεσιτεχνίας, μεταξύ των ετών 2015 και 2016, εκτεταμένες ανακοινώσεις για το διαφανές ξύλο έγιναν σε διεθνή ΜΜΕ, με άρθρα στο ScienceDaily, Wired, The Wall Street Journal, και The New York Times.

Στην πραγματικότητα, αυτές οι ερευνητικές ομάδες "ξανα-ανακάλυψαν" το πρωταρχικό έργο του Γερμανού ερευνητή Siegfried Fink, ο οποίος είχε ήδη από το 1992 εφαρμόσει πρώτος μια τεχνολογική μέθοδο πολύ παρόμοια με αυτή των ερευνητών Berglund και Hu. Ο Γερμανός ερευνητής έφτασε στο να τροποποιήσει το ξύλο και να το κάνει διαφανές, έχοντας ως αρχικό στόχο να μελετήσει (μικροσκοπικά) τις κυτταρικές κοιλότητες της μικροδομής του ξύλου για άλλους αναλυτικούς σκοπούς.

Το 2021, ομάδα ερευνητών δημοσίευσε μια νέα τεχνική για την παρασκευή του διαφανούς ξύλου -το οποίο είναι και πιο ελαφρύ και μηχανικά πιο ανθεκτικό από το γυαλί- και η οποία απαιτεί σημαντικά μικρότερη ποσότητα χημικών αντιδραστηρίων και θερμικής/ηλεκτρικής ενέργειας από τις μεθόδους που είχαν ήδη χρησιμοποιηθεί έως τότε. 

Μικρού πάχους ξύλο που τροποποιείται με την τεχνική χημικού βουρτσίσματος με χρήση ηλιακή ενέργειας αποδίδει νέο υλικό που είναι ελαφρύτερο περίπου 50 φορές και μηχανικά πιο ανθεκτικό από ξύλο που έχει υποστεί επεξεργασία με τις προηγούμενες μεθόδους.

Διεργασία 
Στη φυσική του κατάσταση, το ξύλο δεν είναι διαφανές υλικό λόγω της διασποράς και της απορρόφησης του φωτός. Το μαυρισμένο χρώμα του ξύλου οφείλεται στη χημική πολυμερική του σύνθεση, από κυτταρίνη, ημικυτταρίνες και λιγνίνη. Η λιγνίνη του ξύλου είναι κυρίως υπεύθυνη για το χαρακτηριστικό χρώμα του ξύλου. Κατά συνέπεια, η ποσότητα της λιγνίνης καθορίζει και τα επίπεδα ορατότητας αυτού περίπου σε ποσοστό 80–95%. 

Για να καταστεί το ξύλο ένα διαφανές υλικό, τόσο η απορρόφηση όσο και η διασπορά του θα πρέπει να μειωθούν κατά την (χημική) επεξεργασία του. Μια τέτοια επεξεργασία για διαφανές ξύλο βασίζεται ουσιαστικά στην αφαίρεση όλης της λιγνίνης που περιέχει, διαδικασία που στην επιστήμη ξύλου ονομάζεται ως απολίγνωση (delignification).

Διαδικασία απολίγνωσης 
Η παραγωγή διαφανούς ξύλου με τη χημική διεργασία της απολίγνωσης διαφέρει από μελέτη σε μελέτη, με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία.  

Ωστόσο, τα βασικά χαρακτηριστικά στάδια αυτής περιλαμβάνουν τα ακόλουθα: δείγμα ξύλου χημικώς κατεργάζεται με θερμαινόμενα διαλύματα (80 °C–100 °C) που περιέχουν χλωριούχο νάτριο, υποχλωριώδες νάτριο ή υδροξείδιο / θειώδες νάτριο για περίπου 3–12 ώρες. Το στάδιο αυτό ακολουθείται από μια διεργασία εμβάπτισης σε βραστό διάλυμα από υπεροξείδιο του υδρογόνου. 

Στη συνέχεια, η λιγνίνη διαχωρίζεται εντελώς από τη δομή της κυτταρίνης  και των ημικυτταρινών μετατρέποντας το ξύλο σε λευκωπό υλικό και επιτρέποντας -σε δεύτερη φάση- την έναρξη του εμποτισμού του με συνθετική ρητίνη. 

Έτσι, το δοκίμιο ακολούθως βυθίζεται σε ρητίνη, συνήθως PMMA (πολυμεθακρυλικό μεθύλιο), σε θερμοκρασία 85 °C και κάτω από εφαρμογή κενού για 12 ώρες. Αυτή η διαδικασία γεμίζει τους κενούς χώρους που καταλάμβανε προηγουμένως η λιγνίνη αλλά επίσης και η ανοιχτή ξύλινη κυτταρική δομή (π.χ. κυτταρικές κοιλότητες) με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός νέου υλικού: το διαφανές σύνθετο ξύλο.

Ωστόσο είναι γνωστό ότι η απολίγνωση είναι μια επιτυχημένη μέθοδος παραγωγής που όμως περιορίζεται σε εργαστηριακή και πειραματική παραγωγή μικρής ποσότητας και μικρού πάχους υλικού (ξύλου), και ως εκ τούτου, δεν μπορεί να ανταποκριθεί στις πρακτικές απαιτήσεις εφαρμογής του σε μεγαλύτερη κλίμακα. 

Το 2018, παρόλα αυτά, στο ερευνητικό κέντρο Jiangsu Co-Innovation Center for Efficient Processing and Utilization of Forest Resources, ο ερευνητής Xuan Wang και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν νέα μέθοδο παραγωγής - διείσδυσης ενός προπολυμερισμένου διαλύματος μεθακρυλικού μεθυλεστέρα (MMA) σε απολιγνωμένες ίνες ξύλου. Με τη χρήση αυτής της νέας τεχνικής, μπορεί εύκολα να παραχθεί μεγάλου μεγέθους διαφανές ξύλο, σε οποιοδήποτε πάχος ή διαστάσεις. 

Παρά την επιτυχία αυτή, εξακολουθούν σήμερα να υπάρχουν προκλήσεις όσον αφορά τη μηχανική σταθερότητα του νέου αυτού υλικού αλλά και την επιδιωκόμενη οπτική απόδοση.

Ιδιότητες 
Το ξύλο είναι φυσικό, ανανεώσιμο υλικό που έχει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, όπως υψηλή αντοχή, καλή ανθεκτικότητα, υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία και υψηλό ειδικό βάρος. 

Το ξύλο μπορεί να ταξινομηθεί σε δύο διαφορετικούς τύπους, το ξύλο κωνοφόρων (softwood, ή μαλακή ξυλεία) και το ξύλο πλατυφύλλων (hardwood, ή σκληρή ξυλεία), ανάλογα με τη δασοπονική κλάση (γυμνόσπερμα - αγγειόσπερμα) από την οποία προέρχεται. Ενώ κάθε τύπος είναι διαφορετικός - π.χ., τα αξονικά κύτταρα στα κωνοφόρα είδη έχουν μεγαλύτερα μήκη σε σύγκριση με αυτά από τα πλατύφυλλα είδη - και οι δύο τύποι, όμως, έχουν παρόμοια ιεραρχική δομή, που σημαίνει ότι ο προσανατολισμός των ξυλωδών κυττάρων είναι πανομοιότυπος στα είδη ξυλείας. 

Αυτή η μοναδική ανισότροπη δομή, δηλαδή οι διαφορετικές ιδιότητες και συμπεριφορές, όταν μετρώνται στις τρεις διαφορετικές κατευθύνσεις του (αξονική - ακτινική - εφαπτομενική), επιτρέπει στο ξύλωμα (ξύλο) να αντλεί ιόντα και νερό για φωτοσύνθεση. Ομοίως, σε διαφανή σύνθετα ξύλου, αφαιρώντας τη λιγνίνη και διατηρώντας τα αξονικά κύτταρα (τραχεΐδες ή ίνες) από κυτταρινικές ίνες (αλυσίδες), του επιτρέπει να μετατραπεί σε διαυγές ξύλο το οποίο δύναται να εμποτιστεί με εποξειδική ένωση -που ομοιάζει με κόλλα- που το καθιστά ανθεκτικό, στιβαρό και διαφανές υλικό. Εξαιρετική πρώτη ύλη με υψηλή διαπερατότητα αλλά και με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες.

Οι ερευνητές δοκίμασαν επιτυχώς μια φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική χημική ένωση: το ακρυλικό λεμονένιο, ένα μονομερές από λεμονένιο, σε ακρυλικό. Το λεμονένιο είναι κοινό κυκλικό τερπένιο που μπορεί να εξαχθεί από υπολείμματα, μέσω ισομερισμού του α-πινενίου (λ.χ. από ξύλο κωνοφόρων ειδών) ή από αιθέριο έλαιο από φλούδες εσπεριδοειδών. 

Συνεπώς, φυσικές ενώσεις - βιοπολυμερή (ή ολιγομερή) μπορούν να προσφέρουν πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τα συμβατικά μη ανανεώσιμα πολυμερή από ορυκτές πηγές ή από πετροχημικά, και να διατηρήσουν υψηλή μηχανική απόδοση όντας ελαφριά υλικά, λόγω και της πορώδους και ανισότροπης κυτταρινικής δομής. Αυτό σήμερα φαίνεται να παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον για βιώσιμες και οικολογικές νανοτεχνολογίες μεγάλης κλίμακας. 

Η σουκινυλίωση υποστρώματος απολιγνωμένου ξύλου χρησιμοποιώντας τον αντίστοιχο σουκινυλικό ανυδρίτη έχει ως αποτέλεσμα ένα νανοδομημένο και μηχανικά ισχυρό βιοσύνθετο υλικό. Το όλο πολυμερές συνήθως δομείται από 70% (κατ' όγκο) τέτοιας πρώτης ύλης, και αυτό έχει ως αποτέλεσμα νανοδομημένα βιοσύνθετα υλικά που συνδυάζουν εξαιρετική οπτική διαπερατότητα, 90% σε πάχος 1,2 mm και εντυπωσιακά χαμηλή θολότητα (30%), ταυτόχρονα με υψηλή μηχανική αντοχή (π.χ. μέτρο θραύσης 174 MPa και συντελεστή Young's περίπου 17 GPa).

Μηχανικές ιδιότητες 
Το διαφανές ξύλο χαρακτηρίζεται από τέτοιες μηχανικές ιδιότητες και αντοχή στην καταπόνηση λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς του σε ίνες κυτταρίνης αλλά και στον γεωμετρικό προσανατολισμό της δομής των ινών (σε ακτινική και εφαπτομενική κατεύθυνση), παρέχοντας έτσι τη δομική βάση για το σχεδιασμό εφαρμογών προηγμένων υλικών.

Χαρακτηριστικό του διαφανούς ξύλου είναι η αντοχή του υλικού. Σύμφωνα με τον δρ. Zhu και τους συνεργάτες του, το διαφανές ξύλο στην αξονική κατεύθυνση έχει μέτρο ελαστικότητας 2,37 GPa και καμπτική αντοχή 45,38 MPa (σημείωση: αμφότερα υποδυέστερα από το καθαρό PMMA), και επίσης, διπλάσια από τις αντοχές οριζόντιο επίπεδο, ήτοι: 1,22 GPa και 23,38 MPa, αντιστοίχως. Επίσης, η πλαστική φύση του διαφανούς σύνθετου ξύλου παρέχει πλεονεκτήματα σε σύγκριση με άλλα εύθραυστα υλικά όπως π.χ. το γυαλί, γεγονός που σημαίνει ότι δεν θρυμματίζεται κατά την καταπόνηση σε κρούση.

Οπτικές ιδιότητες και θερμική αγωγιμότητα 
Το διαφανές ξύλο φέρει κάθετα ευθυγραμμισμένες ίνες κυτταρίνης -στιβαρά πακτωμένες- που λειτουργούν ως κυματοδηγοί ευρείας ζώνης και έχουν υψηλές απώλειες σκέδασης μετάδοσης για το φως. Αυτή η μοναδική ιδιότητα διαχείρισης φωτός έχει ως αποτέλεσμα ένα εφέ διάδοσης φωτός. 

Μετρώντας τις οπτικές του ιδιότητες με ενσωματωμένη σφαίρα, η δρ. Li και οι συνεργάτες της διαπίστωσαν ότι το διαφανές ξύλο παρουσιάζει υψηλή διαπερατότητα 90% και υψηλή οπτική θολότητα 95%. Ως αποτέλεσμα, το διαφανές ξύλο ως ενεργειακά αποδοτικό υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για μείωση της κατανάλωσης ενέργειας του φωτισμού κατά τη διάρκεια της ημέρας, οδηγώντας αποτελεσματικά το ηλιακό φως εντός των κατοικιών παρέχοντας ομοιόμορφο και σταθερό φωτισμό σε όλη την διάρκεια της ημέρας.

Παρομοίως, η θερμική αγωγιμότητα του διαφανούς ξύλου αποδίδεται στην ευθυγράμμιση (παραλληλότητα) των ινών κυτταρίνης του ξύλου, η οποία έχει διατηρηθεί μετά την απομάκρυνση της λιγνίνης και τον εμποτισμό του πολυμερούς. Το διαφανές ξύλο έχει θερμική αγωγιμότητα 0,32 W⋅m−1⋅K −1 στην αξονική κατεύθυνση και τιμή 0,15 W⋅m−1⋅K −1 στην ακτινική κατεύθυνση, αντίστοιχα. 

Με βάση μελέτη της δρ. C. Montanari του Βασιλικού Ινστιτούτου Τεχνολογίας KTH, στη Στοκχόλμη, η θερμική αγωγιμότητα του διαφανούς ξύλου, που μετατρέπεται από ημιδιαφανές σε διαφανές όταν θερμαίνεται, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για κτίρια ενεργειακά ακόμη πιο αποδοτικά συλλέγοντας την ενέργεια του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας και την απελευθέρωσή της αργότερα τη νύχτα στο εσωτερικό.

Μελλοντικές εφαρμογές 
Αν και η ανάπτυξη διαφανών σύνθετων ξύλου εξακολουθεί να βρίσκεται σε επίπεδο -ακόμη- εργαστηριακής κλίμακας και σε επίπεδο πρωτοτύπου, οι δυνατότητες των νέων υλικών όπως λ.χ. ενεργειακή απόδοση και λειτουργική εξοικονόμηση στα κτίρια, είναι πολλά υποσχόμενες. 

Ουσιαστικό πλεονέκτημα με το διαφανές ξύλο είναι ο συνδυασμός δομικής και λειτουργικής του απόδοσης για φέρουσες κατασκευές που συνδυάζουν σειρά από οπτικές, μαγνητικές ή θερμικής θωράκισης λειτουργίες. 

Το διαφανές ξύλο ερευνάται επίσης και για πιθανή χρήση σε επιφάνειες ευαίσθητες στην αφή.

Σύστημα υαλοπινάκων 
Αυτό το σύστημα επιχειρείται προς εφαρμογή σε κτιριακές χρήσεις, όπου το τεχνητό φως μπορεί να αντικατασταθεί από το ηλιακό φως μέσω ενός σχεδιασμού μετάδοσης φωτός. 

Με βάση την έρευνα και την προσομοίωση που πραγματοποιήθηκε από τον ερευνητή Joseph Arehart στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο (Boulder), το διαφανές ξύλο εισάγεται ως αντικατάσταση συστήματος υαλοπινάκων, που θα μπορούσε να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας κλιματισμού του χώρου κατά ποσοστά 24,6% μέχρι 33,3%, σε μεσαία κλιματική ζώνη και σε μεγάλους χώρους γραφείων (κλιματική ζώνη 4C), αντίστοιχα. 

Αυτό είναι το τεχνικό επίπεδο γνώσης, που έχουμε μέχρι και σήμερα, σχετικά με την πιθανή λειτουργικότητα του διαφανούς ξύλου, επειδή παρουσιάζει εξόχως χαμηλή θερμική αγωγιμότητα (θερμομονωτικότητα) και υψηλότερη μηχανική αντοχή σε κρούση, σε σύγκριση με τα δημοφιλή συστήματα υαλοπινάκων.

Ηλιακά κύτταρα 
Μια άλλη κατεύθυνση για εφαρμογές του διαφανούς ξύλου σχετίζεται με την υψηλή οπτική μετάδοση για οπτοηλεκτρονικές συσκευές, ως υποστρώματα σε φωτοβολταϊκά ηλιακά κύτταρα. 

Η δρ. Λι και οι συνεργάτες της στο Βασιλικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας (KTH) της Σουηδίας μελέτησαν την υψηλή οπτική διαπερατότητα που καθιστά το διαφανές ξύλο "υποψήφιο" υλικό για υπόστρωμα σε ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη. Κατέληξαν έτσι στο συμπέρασμα ότι το διαφανές ξύλο έχει υψηλή οπτική διαπερατότητα 86% και μακροχρόνια σταθερότητα, με θραύση σκληρότητας 3,2 MPa⋅m1/2 σε σύγκριση με θραύση γυάλινου υποστρώματος σκληρότητας 0,7–0,85 MPa⋅m1/2, που ικανοποιεί τις απαιτήσεις του υποστρώματος για ηλιακά κύτταρα. 

Αυτές είναι σχετικές πληροφορίες για πιθανή εφαρμογή του διαφανούς ξύλου, επειδή είναι μια κατάλληλη και αειφορική (οικολογική) λύση σε υπόστρωμα για συναρμολόγηση ηλιακών κυψελών με δυνατότητες ενεργειακά αποδοτικών κτιρίων, καθώς και για αντικαταστάσεις γυαλιού και μείωση του αποτυπώματος άνθρακα για τις εν λόγω συσκευές.

Το διαφανές ξύλο θα μπορούσε να μεταμορφώσει τις επιστήμες των υλικών και τη βιομηχανία της δόμησης επιτρέποντας νέες εφαρμογές, όπως τα φέροντα παράθυρα. Αυτά τα εξαρτήματα θα μπορούσαν επίσης να επιφέρουν δραστικές βελτιώσεις στην εξοικονόμηση (θερμικής) ενέργειας και στην εν γένει απόδοση, σε σύγκριση με το γυαλί και άλλα συμβατικά υλικά (λ.χ. αλουμίνιο, PVC). 

Απαιτείται αρκετή έρευνα ακόμη για την περαιτέρω κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ του φωτός και της δομής του ξύλου, για τον συντονισμό των οπτικών και μηχανικών ιδιοτήτων και για την αξιοποίηση των προηγμένων εφαρμογών των διαφανών σύνθετου ξύλου.

Παραπομπές

Περαιτέρω ανάγνωση 
 Fink, S. (1992). "Transparent Wood; A New Approach in the Functional Study of Wood Structure". Holzforschung-International Journal of the Biology, Chemistry, Physics and Technology of Wood.  46(5), 403–408. Chicago. 
 Berglund, L., et al. (2018). "Bioinspired Wood Nanotechnology for Functional Materials". Advanced Materials, 30(19), 1704285. 
 Zhu, H., et al. (2014). "Transparent paper: fabrications, properties, and device applications". Energy & Environmental Science, 7(1), 269–287.   

Ξύλο
Χημεία πολυμερών
Επιστήμη υλικών
Αναδυόμενες τεχνολογίες