miniatura| Un vídeo de fusta transparent produïda amb un mètode de bricolatge El compòsit de fusta transparent és un material compost que es fabrica eliminant químicament la lignina de la fusta que absorbeix la llum i impregnantt-la cel·lulosa porosa restant amb un polímer transparent, com ara el poli(metacrilat de metil) (PMMA) o l'epòxid. Aquest procés fa que la fusta sigui transparent fent coincidir els índexs de refracció de la cel·lulosa i el polímer, cosa que minimitza la dispersió de la llum.

Produït per primera vegada el 1992 per l'investigador alemany Siegfried Fink, el material ha rebut un renovat interès per la recerca des del 2016 a causa del seu potencial com a alternativa sostenible al vidre i al plàstic en els sectors de la construcció i l'energia. Els compostos de fusta transparents presenten una alta transmitància òptica (fins al 90%) i una boira òptica distintiva, que els permet transmetre la llum mentre la distribueixen uniformement.

A diferència del vidre, la fusta transparent posseeix excel·lents propietats mecàniques; és irrompible, resistent i sovint conserva o supera la resistència de la fusta original. També ofereix un aïllament tèrmic superior en comparació amb les finestres de vidre tradicionals. Les aplicacions potencials del material inclouen sistemes de vidre eficients energèticament, substrats per a cèl·lules solars i panells sensibles al tacte.

Història Un grup de recerca dirigit pel professor Lars Berglund de la Universitat KTH sueca, juntament amb un grup de recerca de la Universitat de Maryland dirigit pel professor Liangbing Hu han desenvolupat un mètode per eliminar el color i alguns productes químics de petits blocs de fusta, seguit d'afegir polímers, com ara poli(metacrilat de metil) (PMMA) i epoxi, a nivell cel·lular, fent-los així transparents.

Tan bon punt es va llançar entre el 2015 i el 2016, la fusta transparent va tenir una gran reacció de la premsa, amb articles a ScienceDaily, Wired, The Wall Street Journal, i The New York Times.

De fet, aquests grups de recerca van redescobrir un treball dut a terme per Siegfried Fink, un investigador alemany, ja el 1992: amb un procés molt similar al de Berglund i Hu, l'investigador alemany va fer que la fusta fos transparent per revelar cavitats específiques de l'estructura de la fusta amb finalitats analítiques.

IEl 2021, uns investigadors van informar d'una manera de fabricar fusta transparent més lleugera i resistent que el vidre que requereix quantitats substancialment menors de productes químics i energia que els mètodes utilitzats anteriorment. Es diu que la fusta fina produïda amb "raspallat químic assistit per energia solar" és més lleugera i unes 50 vegades més resistent que la fusta tractada amb processos anteriors.

Procés En el seu estat natural, la fusta no és un material transparent a causa de la seva dispersió i absorció de la llum. El color bronzejat de la fusta es deu a la seva composició química de polímers de cel·lulosa, hemicel·lulosa i lignina. La lignina de la fusta és la principal responsable del color distintiu de la fusta. En conseqüència, la quantitat de lignina determina els nivells de visibilitat de la fusta, al voltant del 80-95%. Perquè la fusta sigui un material visible i transparent, cal reduir tant l'absorció com la dispersió en la seva producció. El procés de fabricació de fusta transparent es basa en l'eliminació de tota la lignina, un procés anomenat deslignificació.

Procés de deslignificació La producció de fusta transparent a partir del procés de deslignificació varia d'un estudi a l'altre. Tanmateix, els conceptes bàsics són els següents: una mostra de fusta es submergeix en aigua calenta (80 °C–100 °C) solucions que contenen clorur de sodi, hipoclorit de sodi o hidròxid / sulfit de sodi durant unes 3-12 hores, seguides d'immersió en peròxid d'hidrogen bullent. A continuació, la lignina se separa de l'estructura de la cel·lulosa i l'hemicel·lulosa, tornant la fusta blanca i permetent que comenci la penetració de la resina. Finalment, la mostra s'immergeix en una resina igual, generalment PMMA, a altes temperatures (85 °C) i un buit durant 12 hores. Aquest procés omple l'espai que abans ocupava la lignina i l'estructura cel·lular de fusta oberta, donant com a resultat el compost de fusta transparent final.

Tot i que el procés de deslignificació és un mètode de producció reeixit, es limita a la seva producció de laboratori i experimental d'un material petit i de baix gruix que no pot complir els seus requisits d'aplicació pràctica. Tanmateix, al Centre de Coinnovació per al Processament i la Utilització Eficients dels Recursos Forestals de Jiangsu, el 2018, Xuan Wang i els seus col·legues van desenvolupar un nou mètode de producció per infiltrar una solució de metacrilat de metil (MMA) prepolimeritzada en fibres de fusta deslignificades. Mitjançant aquesta nova tècnica, es pot fabricar fàcilment fusta transparent de gran mida amb qualsevol gruix o mesura. Tot i aquest èxit en la fabricació, encara existeixen reptes pel que fa a l'estabilitat mecànica i el rendiment òptic ajustable.

Propietats La fusta és un material de creixement natural que posseeix excel·lents propietats mecàniques, com ara una alta resistència, bona durabilitat, alt contingut d'humitat i alta gravetat específica. La fusta es pot classificar en dos tipus de fusta, fusta tova i fusta dura. Tot i que cada tipus és diferent (per exemple, les cèl·lules longitudinals de les fustes toves són molt més llargues en comparació amb les de les fustes dures), tot i que tenen una estructura jeràrquica molt similar, cosa que significa que l'orientació de les cèl·lules és idèntica a la fusta. Aquesta estructura anisotròpica única, les propietats amb valors distintius quan es mesuren en diverses direccions, li permet bombar ions i aigua per a la fotosíntesi a la fusta. De la mateixa manera, en els compostos de fusta transparents, l'eliminació de la lignina i el manteniment dels tubs de fibra de cel·lulosa permet que es converteixi en una fusta clara que es pot submergir en un epoxi semblant a la cola que la converteix en un material robust i transparent. Una matèria primera excel·lent amb alta transmitància i propietats mecàniques millorades.

Hi ha investigacions que han provat amb èxit una alternativa respectuosa amb el medi ambient: l'acrilat de limonè, un monòmer fet a partir del limonè, en un acrilat. El limonè és un terpè cíclic comú que es pot extreure de residus industrials, mitjançant la isomerització de l'α-pinè (de la fusta) o de l'oli de pell de cítrics. Els polímers de base biològica poden oferir avantatges en comparació amb els polímers convencionals no renovables de recursos fòssils, i tot i així conserven un alt rendiment mecànic i són lleugers, derivats de la seva estructura cel·lulòsica porosa i anisotròpica; i són de gran interès per a les nanotecnologies sostenibles a gran escala. La succinilació del substrat de fusta deslignificada mitjançant anhídrid succínic dóna com a resultat un biocompost nanoestructurat i mecànicament resistent. La matriu polimèrica representa normalment ≈70% en volum, donant lloc a biocomposites nanoestructurats que combinen una excel·lent transmitància òptica del 90% a 1,2 mm de gruix i una turbiditat notablement baixa del 30%, amb un alt rendiment mecànic (resistència 174 MPa, mòdul de Young 17 GPa).

Propietats mecàniques La fusta transparent deriva les seves propietats mecàniques i el seu rendiment principalment del seu contingut de fibra de cel·lulosa i de l'orientació geomètrica de l'estructura de les cèl·lules del tub de fibra (radial i tangencial), proporcionant la base estructural per al disseny d'aplicacions de materials avançats.

Un aspecte de la propietat mecànica de la fusta transparent és la resistència del material. Segons Zhu i els seus col·legues, la fusta transparent en la direcció longitudinal té un mòdul elàstic de 2,37 GPa i força de 45,38 MPa (ambdós més baixos que els del PMMA pur ) i dues vegades més alts que els perpendiculars a la direcció longitudinal, 1,22 GPa i 23,38 MPa respectivament. Conclouen que les propietats longitudinals i transversals disminueixen per a la fusta transparent, cosa que esperaven, ja que la presència de la resina polimèrica suprimeix l'espai de la cavitat. A més, la naturalesa plàstica del compost de fusta transparent ofereix avantatges en comparació amb altres materials fràgils com el vidre, és a dir, que no es trenca en impactar.

Transmitància òptica i conductivitat tèrmica Les fibres de cel·lulosa de la fusta transparent, compactades i alineades perpendicularment, funcionen com a guies d'ones de banda ampla amb altes pèrdues per dispersió de transmissió de la llum. Aquesta capacitat única de gestió de la llum resulta en un efecte de propagació de la llum. [ En mesurar les seves propietats òptiques amb una esfera integrada, Li i els seus col·legues van descobrir que la fusta transparent presenta una alta transmitància del 90% (inferior a la del PMMA pur) i una alta ennuvoladura òptica del 95%. Com a resultat, la fusta transparent com a material energèticament eficient es podria utilitzar per disminuir el consum d'energia de la il·luminació diürna guiant eficientment la llum solar cap a la casa alhora que proporciona una il·luminació uniforme i consistent durant tot el dia.

De la mateixa manera, la conductivitat tèrmica de la fusta transparent s'atribueix a l'alineació de les fibres de cel·lulosa de la fusta, que s'ha preservat després de l'eliminació de la lignina i la infiltració de polímers. La fusta transparent té una conductivitat tèrmica de 0,32. W⋅m−1 ⋅K−1 en la direcció axial i 0,15 W⋅m−1 ⋅K−1 en la direcció radial respectablement. Segons l'estudi realitzat per Céline Montanari del KTH Royal Institute of Technology d'Estocolm, la conductivitat tèrmica de la fusta transparent, que es transforma de semitransparent a transparent quan s'escalfa, es podria utilitzar per fer que els edificis siguin més eficients energèticament capturant l'energia del sol durant el dia i alliberant-la més tard a la nit a l'interior.

Futures aplicacions Tot i que el desenvolupament de compostos de fusta transparent encara es troba a escala de laboratori i a nivell de prototip, el seu potencial d' eficiència energètica i estalvi operatiu en la indústria de la construcció és molt prometedor. Un avantatge essencial de la fusta transparent és la seva combinació de rendiment estructural i funcional per a estructures portants que combinen funcionalitats òptiques, de protecció tèrmica o magnètiques. La fusta transparent també s'està investigant per al seu ús potencial en superfícies sensibles al tacte.

Estructures de vidre Aquest és el cas en aplicacions d'edificis on la llum artificial es pot substituir per la llum solar mitjançant un disseny de transmitància de llum. Segons la investigació i la simulació realitzades per Joseph Arehart a la Universitat de Colorado a Boulder, la fusta transparent com a substitut del sistema de vidre envidrat podria reduir el consum d'energia de condicionament d'espais entre un 24,6% i un 33,3% en espais d'oficina mitjans (zona climàtica 3C, San Francisco, CA) i grans (zona climàtica 4C, Seattle, Washington) de manera respectable. Aquestes són idees rellevants sobre la funcionalitat potencial de la fusta transparent, ja que mostra una menor conductivitat tèrmica i una millor resistència a l'impacte en comparació amb els sistemes de vidre envidrat populars.

Cèl·lules solars