Как сделать древесину прозрачной
Новости
Деревянные дома могут казаться устаревшими по сравнению с современной архитектурой, но специально обработанный тип древесины может стать модным строительным материалом завтрашнего дня. Сегодня ученые сообщают о новом виде прозрачной древесины, которая не только пропускает свет, но также поглощает и выделяет тепло, потенциально экономя на затратах энергии.
Материал может выдерживать большие нагрузки и является биоразлагаемым, открывая возможности его использования в экологически чистых зданиях.
Исследователи представят свои результаты сегодня на Национальном собрании и выставке Американского химического общества (ACS) весной 2019 года.
По мере развития экономики во всем мире потребление энергии резко возросло. Большая часть этой энергии используется для освещения, обогрева и охлаждения домов, офисов и других зданий. Стеклянные окна могут пропускать свет, помогая осветить и обогреть дома, но они не накапливают энергию для использования в темное время суток.
Три года назад ведущий исследователь Ларс Берглунд, доктор философии, и его коллеги из Королевского технологического института (KTH Royal Institute of Technology) в Стокгольме, Швеция, сообщили об оптически прозрачной древесине в журнале ACS Biomacromolecules. Исследователи создали материал, удалив поглощающий свет компонент, называемый лигнином, из клеточных стенок бальзового дерева. Чтобы уменьшить рассеивание света, они включили акрил в пористую деревянную структуру. Команда могла видеть материал, но он был достаточно непрозрачным, чтобы обеспечивать конфиденциальность, если использовался в качестве основного строительного материала. Прозрачная древесина также имела высокие механические свойства, что позволяло ей выдерживать большие нагрузки.
Новое прозрачное дерево становится более мутным (справа) после выделения накопленного тепла.
Credit: American Chemical Society
Команда инкапсулировала ПЭГ в делигнифицированный деревянный каркас, что предотвращало утечку полимера во время фазовых переходов. Они также включили акрил в материал, чтобы защитить его от влажности. Как и их предыдущая версия, модифицированная древесина была прозрачной, хотя и слегка мутной и прочной, но обладала дополнительным бонусом сохранения тепла.
Теперь основное внимание уделяется расширению производственного процесса, чтобы он был осуществим в промышленности. По оценкам исследователей, прозрачная древесина может быть использована для нишевых применений в дизайне интерьера всего через пять лет. Они также пытаются увеличить теплоемкость материала, чтобы сделать его еще более энергоэффективным.
Видео о прозрачной древесине:
Ученые создали прозрачную древесину, которая прочнее стекла
Экология потребления. Наука и открытия: Это может изменить технологии в строительстве. Если использовать этот волноводный эффект древесины, можно доставить больше света в дома.
Это может изменить технологии в строительстве.
Что произошло?
Исследователям из Университета Мериленда удалось убрать из бруска древесины цвет и химические вещества, и сделать его прозрачным. В результате они получили более прочный материал, который хуже проводит электричество в сравнении со стеклом и при этом более подвержен биоразложению, чем пластик.
«Мы были очень удивлены тем, насколько прозрачным удалось его сделать», — рассказывает Лянбин Ху, участник проекта, который написал о нем для журнала Advanced Materials.
Над созданием прозрачной древесины работала не только команда Ху – ученым из Швеции также удалось избавиться от ненужной видимой массы, заменив ее на прозрачный полимер. Технологии обработки, разработанные двумя группами исследователей, примерно похожи и состоят из двух этапов.
Как сделать дерево прозрачным?
Сначала ученые кипятят древесину в смеси воды, гидроксида натрия и других химикатов примерно в течение двух часов. В ходе этого процесса вымывается лигнин, молекулы которого придают древесине характерный цвет. Затем брусок покрывается эпоксидной смолой, которая хоть и делает процесс чуть менее экологически чистым, но зато позволяет добиться увеличения прочности материала в четыре-пять раз.
Как можно использовать эту технологию?
Одним из важнейших свойств обработанной таким способом древесины является сохранение структуры и естественных каналов дерева. Эти микроканалы могут передавать свет так же, как они переносили в себе питательные вещества внутри растения. «В обычных материалах свет рассеивается», — говорит Ху. — Если использовать этот волноводный эффект древесины, можно доставить больше света в дома».
Есть ли ограничения?
Так что мешает нам строить дома из прозрачной древесины, помимо вопросов защиты личной жизни? Ограниченные габариты. Пока технология позволяет работать только с пластинками 12,5х12,5 см и толщиной от листка бумаги до одного сантиметра – и это намного крупнее, чем то, что пока могут делать шведские ученые. Доктор Ху и исследователи Университета Мериленда продолжают работу над увеличением размера образцов.
Если команде удастся задуманное, технологию можно будет применить в огромном количестве областей: от производства окон, строительных материалов и мебели до создания более точного оптического оборудования, которое ранее изготавливалось из стекла или пластика. опубликовано econet.ru
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
Найден новый способ сделать дерево прозрачным
Исследователи из Университета Мэриленда обнаружили новый способ обработки дерева, в результате которого оно становится прозрачным. Об уникальном методе и его преимуществах они сообщили в журнале Science Advances.
Недостатки прежней технологии
Идея прозрачного дерева в целом не новая, так как ученые длительное время работали над получением такого материала. В сфере строительства оно пользовалось бы огромным спросом, заменив собой обычное стекло. Главным образом потому, что дерево более прочное и не разрушается под механическим воздействием. Однако, вопреки приложенным усилиям, материал оказался невостребованным.
Всему виной несколько технологических нюансов. Разработкой материала занимались ученые из шведского Королевского технологического института. Чтобы добиться прозрачности, ранее древесину подвергали химической обработке с целью удаления лигнина.
Прозрачное дерево, разработанное шведскими учеными
Это вещество, которое характеризует одеревеневшие стенки растительных клеток. Ему свойственна высокая прочность на сжатие, именно поэтому дерево такое твердое. По старому методу после удаления лигнина оно становилось просто белым. Чтобы добиться нужной прозрачности, к нему добавляли полиметилметакрилат – органическое стекло.
Количество лигнина зависит от породы. Например, у лиственных деревьев его объем равен 18-24%, а у хвойных – от 23 до 50%. В чистом виде вещество имеет беловатый цвет. Именно благодаря его присутствию старые книги приобретают особый аромат, так как со временем лигнин окисляется.
Удаление лигнина из дерева делает его более хрупким. К тому же, данный процесс занимает большое количество времени и сопровождается образованием жидких отходов. Новый метод ученых Мэриленда позволяет устранить эти недостатки, так как в процессе обработки лигнин меняется, но не исчезает полностью.
В чем отличие нового метода?
Первым делом древесина (использовали лиственную породу – бальсу) подверглась обработке перекисью водорода. Затем на нее воздействовали ультрафиолетовым светом (или же естественным солнечным). Дальнейшая процедура очистки заключалась в замачивании материала в этаноле.
Все эти меры необходимы для того, чтобы устранить лишь те молекулы лигнина, которые отвечают за цвет дерева. Осталось лишь добиться гладкости – для этого поры древесины заполнили бесцветной эпоксидной смолой.
Схема обработки дерева по новому методу
Результат оказался успешным: материал пропускал 90% света, а его прочность в 50 раз выше по сравнению с прозрачным деревом, которое изготавливали по старой технологии. К тому же, дерево стало легче, прочнее стекла, улучшились его изоляционные свойства. Область применения такого материала довольно широкая – он подходит не только для окон, но и для крыш.
Теоретически, за счет высокой прочности древесины, ее можно задействовать и в строительстве полностью прозрачного дома. Размеры таких конструкций не ограничены. Исследователи предполагают, что использовать прозрачное дерево, созданное по их технологии, можно и в других сферах. Например, для производства дисплеев сенсорных устройств, которые эксплуатируются в экстремальных условиях.
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Солнечный свет помог в создании прозрачной древесины
Qinqin Xia et al. \ Science Advances, 2021
Ученые сделали производство прозрачной древесины экологичнее, эффективнее и проще. Изменение технологии обесцвечивания позволило уменьшить расход и выброс вредных химикатов, а полученные образцы оказались прочнее изготовленных по стандартной технологии. Статья опубликована в журнале Science Advances.
Популярный процесс обесцвечивания древесины связан с удалением лигнина из нее и называется делигнификацией. Лигнин заполняет все пространство между целлюлозным каркасом древесины и отвечает за ее цвет. Образованный после удаления лигнина материал оказывается хрупким и для того, чтобы получить гибкий и прочный образец, его можно, к примеру, залить эпоксидной смолой. Другой вариант — пропитать раствором квантовых точек, высушить, спрессовать и покрыть защитным слоем. Такую последовательность действий предложили новозеландские и швейцарские ученые для получения гибкого светящегося материала.
(a) этапы приготовления прозрачной древесины, (b) и (c) примеры изготовления
Qinqin Xia et al. \ Science Advances, 2021
Основой для тестирования нового метода стала легкая и прочная древесина бальзового дерева (Ochroma pyramidal). Авторы вырезали кусочки разной толщины — от 0,6 до 3,3 нанометров, с помощью кисти наносили на них раствор перекиси водорода (H2O2) и облучали УФ излучением до тех пор, пока образец не менял цвет с коричневого на белый. После отмывки в этаноле в течение пяти часов образец пропитывали эпоксидной смолой и высушивали при комнатной температуре. Для упрощения этапа с облучением можно просто помещать образцы на улице под солнцем, излучение которого тоже содержит ультрафиолет. Исследователи протестировали такой способ на больших образцах и выяснили, что для их обесцвечивания достаточного одного часа.
Qinqin Xia et al. \ Science Advances, 2021
Прозрачная древесина, изготовленная новым способом показала не только высокую прочность, но и пропускающую способность в разных направлениях. В зависимости от того, как вырезать кусочек древесины для эксперимента, ее каркас может быть ориентирован разным способом. Оказалось, что разработанный метод позволяет получать образцы, пропускание которых не зависит от ориентации.
Отличные оптические и механические свойства полученной древесины в совокупности с простотой, экологичностью и низкой стоимостью процесса открывает пути по развитию крупномасштабного производства. Возможность выборочно обрабатывать определенные участки позволит применять такую древесину в дизайне.
Помимо удаления лигнина древесины, ученые интересуются и другими способами ее модификации и пересборки. Например, немецкие и швейцарские ученые разработали материал для 3D-печати из целлюлозы и лигнина. А турецкие химики обнаружили полезное свойство лигнина — оказалось, что он защищает древесину от статического электричества.
Прозрачное дерево — уникальный материал, что сохраняет тепло и пропускает свет
Натуральная древесина — экологичный, качественный и долговечный материал, но по внешнему виду он порой уступает современному высокотехнологичному сырью для постройки домов. Но сейчас самые новомодные архитектурные сооружения делают именно из дерева, правда, не из обычного, а из прозрачного. Это уникальное сырье пропускает через себя лучи света, поэтому смотрится просто потрясающе.
Откуда появилась прозрачная древесина
Над созданием необычного стройматериала одновременно трудились две группы ученых — из Университета Мериленда и из Швеции. Обе команды исследователей практически в одни сроки сумели убрать из дерева цвет и сделать его почти прозрачным. Результаты работы были представлены на ежегодной выставке Американского химического общества в 2019 году.
Получение прозрачного материала из дерева
Сведения о новинке были напечатаны в журнале ACS Biomacromolecules. По рассказам ведущего шведского исследователя, доктора Ларса Берглунда, вначале из оптической древесины был удален лигнин (этот компонент клеточных стенок поглощал свет). После удаления его место занял акрил. Рассеивание света было уменьшено, но не прекратилось полностью, ведь акрил сам по себе является довольно плотным и непрозрачным.
Удаление лигнина из древесины
В дальнейших исследованиях в древесные поры после извлечения лигнина был введен полимер ПЭГ (полиэтиленгликоль). Это твердое вещество обладает способностью глубокого внедрения в клетки дерева, поскольку имеет высокое сродство с ним. ПЭГ может сохранять энергию при нагреве. В солнечную погоду он поглощает тепло, а ночью, когда на улице прохладно — проводит его вовнутрь. Таким способом вещество поддерживает постоянную и комфортную температуру в доме, оптимизируя свойства древесины. Чтобы полиэтиленгликоль не расплавлялся и не покидал древесные поры, его поместили в них в капсулированной форме. Акрил также вошел в состав конечного продукта, поэтому современная прозрачная древесина все равно получается чуть мутноватой.
Как именно делают материал
Чтобы сделать дерево прозрачным, первым этапом из него вымывают лигнин, который придает характерный цвет. Для этого бруски кипятят в смеси гидроксида натрия, воды, иных химических веществ около 2 часов. Далее материал насыщают ПЭГ и иными компонентами. В завершение процесса бруски покрывают эпоксидной смолой, которая повышает прочность дерева в 4-5 раз.
Свойства нового сырья
Несмотря на присутствие ряда химических веществ, оптическое дерево считается экологичным материалом. По безопасности оно стоит на строчку выше, чем бетон или пластик, ведь все его компоненты являются биоразлагаемыми. После завершения срока эксплуатации любые элементы из оптического сырья могут быть утилизированы простым способом.
Благодаря присутствию акрила материал становится влагостойким и не боится воздействия влаги. По прочности он тоже не уступает иному строительному сырью и легко выдерживает механические нагрузки (лучше, чем стекло и пластик). Новый стройматериал довольно плохо проводит электричество, при этом обладает отличными теплоизолирующими свойствами и высоким коэффициентом пропускания света.
Применение прозрачной древесины
Материал с уникальным внешним видом и свойствами может изменить привычные технологии строительства. Благодаря ему можно доставить больше света в дом, что позволит сократить энергопотребление и снизить финансовые траты жильцов.
Если заменить часть традиционного строительного сырья новинкой, то такие стены и окна будут не просто пропускать свет, но и накапливать энергию. Следовательно, дом станет более теплым и удобным для проживания.
По мнению ученых, технология может войти в массовое производство примерно через 5 лет. Пока размеры брусков оптической древесины довольно ограничены (примерно 12,5*12,5 см с толщиной около 1 см), но в будущем возможно получение более крупных плит. Из них планируется делать окна, мебель, стройматериалы, заменять стекло и пластик во множестве других сфер и областей.
Перспективные стройматериалы из Translucent Wood
Также оптическая древесина должна прочно внедриться в интерьер помещений, ведь из нее можно делать интересные предметы быта и дизайна. Китайские исследователи и вовсе планируют строить из такого дерева теплицы, которые наверняка произведут революцию на рынке. В ближайшем будущем материал займет место в нашей жизни, сделав ее более красивой и комфортной.