چرا دانشمندان می‌خواهند «چوب شفاف» بسازند؟
با از میان بردن رنگدانه‌های موجود در بافت‌های گیاهی می‌توان به نوعی خارق‌العاده از چوب دست پیدا کرد که می‌تواند کاربردهای شگفت‌انگیز و غیرمنتظره‌ای داشته باشد.
فرادید| سی سال پیش، یک گیاه‌شناس آلمانی یک آرزوی ساده داشت: دیدن عملکرد درونی گیاهان بدون تکه‌تکه کردن آن‌ها. زیگفرید فینک با سفید کردن رنگدانه‌های سلول‌های گیاهی توانست چوب شفاف بسازد و تکنیک خود را در یک مجله فناوری چوب منتشر کرد. این مقالۀ سال ۱۹۹۲ برای بیش از یک دهه آخرین اطلاعات در مورد چوب شفاف بود تا اینکه محققی به نام لارس بِرگلوند به طور تصادفی با آن برخورد کرد.
به گزارش فرادید، برگلند از کشف فینک الهام گرفت، اما نه به دلایل گیاه‌شناسی. این دانشمند مواد که در موسسه فناوری سلطنتی KTH در سوئد کار میکند، در کامپوزیت‌های پلیمری تخصص دارد و به ایجاد یک جایگزین قوی‌تر برای پلاستیک شفاف علاقه داشت. او تنها کسی نبود که به مزیت‌های چوب علاقه داشت. در سراسر اقیانوس، محققان دانشگاه مریلند سرگرم یک هدف مرتبط بودند: مهار استحکام چوب برای اهداف غیر سنتی.
اکنون پس از سال‌ها آزمایش، تحقیقات این گروه‌ها در حال به ثمر نشستن است. چوب شفاف به زودی می‌تواند در صفحه نمایش‌های ابر-قوی برای گوشی‌های هوشمند، در وسایل نوری نرم و درخشان و حتی به عنوان مصالح ساختمانی، مانند پنجره‌هایی که تغییررنگ می‌دهند، به کار رود.
کیلیانگ فو، متخصص نانوتکنولوژی چوب می‌گوید: «من واقعاً معتقدم این ماده آینده امیدوارکننده‌ای دارد.»
چوب از کانال‌های عمودی بی‌شماری ساخته شده، مانند یک بسته نی محکم که با چسب به هم متصل شده‌اند. این سلول‌های لوله‌ای شکل، آب و مواد مغذی را به سراسر درخت منتقل می‌کنند و زمانی که درخت قطع می‌شود و رطوبت آن تبخیر می‌شود، حفره‌هایی از هوا باقی می‌ماند. دانشمندان برای ایجاد چوب شفاف، ابتدا باید چسبی به نام لیگنین را اصلاح کنند یا از شر آن خلاص شوند. این چسب دسته‌های سلولی را کنار هم نگه می‌دارد و بیشتر رنگ‌های قهوه‌ای خاکی تنه‌ها و شاخه‌ها از آن است. پس از سفید کردن رنگ لیگنین یا حذف آن، یک اسکلت سفید شیری از سلول‌های توخالی باقی می‌ماند.
این اسکلت هنوز مات است، چون دیواره‌های سلولی، نور را به درجات متفاوتی خم می‌کنند که با کار هوای درون سلول‌ها فرق دارد. بنابراین پر کردن محفظه‌های هوا با ماده‌ای مانند رزین اپوکسی که نور را به درجه‌ای مشابه دیواره‌های سلولی خم میکند، چوب را شفاف میکند.
موادی که دانشمندان با آن کار کردند نازک است و معمولاً کمتر از یک میلی‌متر تا حدود یک سانتی‌متر ضخامت دارد. لیانگ‌بینگ هو، دانشمند مواد می‌گوید که سلول‌ها ساختار لانه‌زنبوری محکمی ایجاد می‌کنند و الیاف ریز چوب قوی‌تر از بهترین الیاف کربن هستند و با افزودن رزین، چوب شفاف از پلاستیک و شیشه بهتر عمل میکند: در آزمایشات سنجش میزان سهولت شکستگی مواد یا شکستگی تحت فشار، چوب شفاف سه برابر قوی‌تر از پلاستیک‌های شفاف مانند پلکسی‌گلاس و حدود ۱۰ برابر سخت‌تر از شیشه بود.
هو که در بررسی سالانه تحقیقات مواد در سال ۲۰۲۳ روی ویژگی‌های چوب شفاف تاکید کرده است، می‌گوید: «نتایج شگفت‌انگیزند، این که یک تکه چوب می‌تواند به اندازه شیشه قوی باشد.»
این فرآیند با چوب ضخیم‌تر هم نتیجه می‌دهد، اما مقداری تارتر است، چون نور بیشتری را پخش میکند. هو و برگلند هر دو در مطالعات اولیه خود در سال ۲۰۱۶ دریافتند که ورقه‌های نازک میلی‌متری اسکلت‌های چوبی پر از رزین، ۸۰ تا ۹۰ درصد نور را از خود عبور می‌دهند. با نزدیک‌تر شدن ضخامت به یک سانتی‌متر، عبور نور کاهش می‌یابد: گروه برگلاند گزارش داد که چوبی با ضخامت ۳.۷ میلی‌متر فقط ۴۰ درصد نور را از خود عبور می‌دهد.
مقطع باریک و استحکام این ماده به این معناست که می‌تواند جایگزینی عالی برای محصولات ساخته‌شده از برش‌های نازک پلاستیک یا شیشه، مانند صفحه نمایش باشد. برای مثال، شرکت فرانسوی Woodoo از فرآیند حذف لیگنین مشابهی در صفحه‌های چوبی خود استفاده میکند، اما مقداری لیگنین را برای ایجاد رنگی متفاوت باقی می‌گذارد. این شرکت نمایشگرهای دیجیتالی بازیافت‌شدنی و حساس به لمس خود را برای محصولاتی از جمله داشبورد خودرو و بیلبوردهای تبلیغاتی طراحی میکند.
پرودیوت دار، مهندس بیوشیمی در مؤسسه فناوری بنارس هند، می‌گوید: اما بیشتر تحقیقات روی چوب شفاف به عنوان نوعی مصالح معماری متمرکز شده‌اند و پنجره‌ها بطور خاص، کاربرد امیدوارکننده‌ای دارند. چوب شفاف عایق بسیار بهتری نسبت به شیشه است، بنابراین می‌تواند به ساختمان‌ها در حفظ گرما یا بیرون کردن آن کمک کند. این تیم سال ۲۰۱۹ گزارش داد که هو و همکارانش، از الکل پلی‌وینیل یاPVA (پلیمری که در چسب و بسته‌بندی مواد غذایی از آن استفاده می‌شود) برای رخنه کردن در اسکلت‌های چوبی استفاده کرده‌اند و چوب شفافی می‌سازند که حرارت را با سرعتی پنج برابر کمتر از شیشه هدایت میکند.
محققان در حال یافتن ترفندهای دیگری برای افزایش توانایی چوب برای نگهداری یا آزاد کردن گرما هستند که برای ساختمان‌های کم‌مصرف مفید است. سِلین مونتاناری، دانشمند مواد در مؤسسه تحقیقاتی RISE سوئد و همکارانش، مواد تغییر فازی را آزمایش کردند که وقتی از جامد به مایع تبدیل می‌شوند، از ذخیره‌سازی به آزاد کردن گرما تغییر می‌کنند یا برعکس. برای مثال، با ترکیب پلی‌اتیلن گلیکول، دانشمندان دریافتند که چوب آن‌ها می‌تواند گرما را در زمان گرم بودن ذخیره کند و در حین سرد شدن، گرما را آزاد کند.
بنابراین پنجره‌های چوبی شفاف قوی‌تر هستند و بهتر از شیشه‌های سنتی به کنترل دما کمک می‌کنند، اما نمای آن‌ها مه‌آلود است و بیشتر شبیه شیشه‌های برفک‌دار است تا پنجره‌های معمولی. با این حال، اگر کاربران نور پراکنده بخواهند، این مه‌گرفتگی می‌تواند یک مزیت باشد: از آنجا که چوب ضخیم‌تر قوی است، می‌تواند تا حدی منبع نور ملایم باشد و به طور بالقوه به عنوان سقفی عمل کند که نور ملایم و فراگیر به اتاق می‌دهد.
هو و برگلند به بازی با روش‌هایی برای یافتن خواص جدید به چوب شفاف ادامه داده‌اند. حدود پنج سال پیش، برگلند و همکارانش در KTH و موسسه فناوری جورجیا دریافتند که می‌توانند با استفاده از این ماده پنجره‌های هوشمند بسازند؛ پنجره‌هایی که می‌توانند از شفاف به رنگی تبدیل شوند تا دید یا پرتوهای خورشید را مسدود کنند. محققان یک پلیمر الکتروکرومیک (ماده‌ای که می‌تواند با الکتریسیته تغییر رنگ دهد) را بین لایه‌های چوب شفاف پوشیده‌شده با پلیمر الکترودی قرار دادند تا الکتریسیته را هدایت کند. این عمل یک صفحه چوبی ایجاد کرد که وقتی کاربران جریان الکتریکی کمی از آن عبور می‌دهند، از شفاف به سرخابی تغییر رنگ می‌دهد.
اخیراً، این دو گروه توجه‌شان را به بهبود پایداری تولید چوب شفاف معطوف کرده‌اند. برای مثال، رزین مورد استفاده برای پر کردن داربست‌های چوبی معمولاً یک محصول پلاستیکی مشتق‌شده از نفت است، پس بهتر است از استفاده از آن خودداری کرد. به عنوان جایگزین، آن‌ها یک پلیمر کاملاً زیستی را اختراع کردند که از پوست مرکبات مشتق شده است. این تیم ابتدا اسید اکریلیک و لیمونن، ماده شیمیایی استخراج‌شده از پوست لیمو و پرتقال را که در اسانس‌ها یافت می‌شود، ترکیب کردند. سپس چوب‌های خوش‌رنگ را با آن آغشته کردند. محققان سال ۲۰۲۱ در مجله Advanced Science اعلام کردند که حتی با پر کردن بر مبنای میوه، چوب شفاف زیستی خواص مکانیکی و نوری خود را حفظ کرد و به علاوه حدود ۳۰ مگاپاسکال فشار بیشتر از چوب معمولی را تحمل کرد و حدود ۹۰ درصد نور را از خود عبور داد.
در همین حال، آزمایشگاه هو اخیراً در مجله Science Advances یک روش سالم‌تر سفیدکردن لیگنین را گزارش کرده که روی پراکسید هیدروژن و اشعه ماوراء بنفش متکی است و انرژی مورد نیاز برای تولید را کاهش می‌دهد. این تیم برش‌های چوبی با ضخامت حدود ۰.۵ تا ۳.۵ میلی‌متر را با پراکسید هیدروژن برس زدند، سپس آن‌ها را به تقلید از اشعه‌های خورشید، مقابل لامپ‌های UV گذاشتند. اشعه ماوراء بنفش بخش‌های حاوی رنگدانه لیگنین را سفید کرد، اما قسمت‌های ساختاری را دست‌نخورده باقی گذاشت، بنابراین به حفظ استحکام بیشتر در چوب کمک کرد.
این رویکردهای سازگارتر با محیط زیست به محدود کردن میزان مواد شیمیایی سمی و پلیمرهای مبتنی بر فسیل در فرایند تولید کمک میکند، اما بر اساس تحلیل دار و همکارانش، در حال حاضر، شیشه همچنان اثرات زیست‌محیطی کمتری نسبت به چوب شفاف دارد. استقبال از طرح‌های تولید سبزتر و افزایش تولید، دو مرحله ضروری برای افزودن چوب شفاف به بازارهای اصلی هستند، اما این کار زمان‌بر است. با این حال، آن‌ها مطمئن هستند که این کار شدنی است و به پتانسیل آن به عنوان یک ماده پایدار باور دارند.
مونتاناری می‌گوید: «وقتی برای دستیابی به پایداری در حال تلاش هستید، فقط نمی‌خواهید محصول جدید با خواص مواد مبتنی بر فسیل مطابقت داشته باشد. به عنوان یک دانشمند، شخصاً می‌خواهم از آن‌ها پیشی بگیرد.»
مترجم: زهرا ذوالقدر
