Optički transparentno drvo, budućnost gradnje

Optički transparentno drvo izvorno je stvoreno 1992. godine u svrhu proučavanja stanične strukture i morfologije različitih vrsta drva. Posljedično, otkrila su se iznenađujuća fizička svojstva i mogućnost šire upotrebe. Transparentno drvo ima iznimno nisku gustoću, približno 1,2 g cm-3, optičku propusnost preko 80% i optičku transmitanciju preko 70%, dobre mehaničke sposobnosti i potencijal za primjenu u pametnim kućama i nosivim konstrukcijama s fotoelektričnim učinkom.

Transparentno drvo ima i mogućnost zamjene stakla zbog boljih mehaničkih svojstava, manje gustoće i velike čvrstoće, nižom toplinskom vodljivošću, a posjeduje i poželjna svojstva pogodna za izradu solarnih ćelija. Ekološki prihvatljive zgrade koje štede energiju izuzetno su privlačne ljubiteljima samoodrživih građevina. Prozirno drvo dobilo je veliku pozornost, zahvaljujući iznimnom potencijalu za primjenu u zgradama koje propuštaju svjetlost, te stoga učinkovito mogu zamijeniti umjetnu svjetlost i na taj način uštedjeti energiju.

Proizvodnja transparentnog drva obično uključuje potpuno uklanjanje lignina iz staničnih stijenki prirodnog drva metodom uranjanja u posebnu otopinu i injektiranje polimera u svrhu stvaranja poželjnog indeksa loma kako bi se smanjila apsorpcija i raspršenje svjetlosti. Međutim, ovaj postupak delignifikacije temeljen na otopini narušava mehaničku čvrstoću drva, jer lignin ima ulogu i ljepila u strukturi drva.  Navedeni postupak zahtijeva i relativno visoku energetsku i kemijsku potrošnju, a da bi proces bio uspješan potrebno je potpuno ukloniti dispergirani lignin iz drva, što produljuje vrijeme obrade 6 do 12 sati, a nastali otpad teško je reciklirati i nije dobar za okoliš.

Tim istraživača sa Sveučilišta u Marylandu je pronašao novi primjereniji način proizvodnje transparentnog drva koji je objavljen u znanstvenom radu u časopisu Science Advances.

Prozirno drvo proizvodi se obradom i sabijanjem drvenih traka. Osnovni način proizvodnje prozirnog drva je uranjanje drva u otopinu s kipućom vodom, natrijevim hidroksidom i natrijevim sulfitom na 12 sati. Ovaj postupak uklanja svu neprozirnu materiju i ostavlja za sobom prozirnu strukturnu celulozu. Postupak istraživača sa Sveučilišta u Marylandu dodatno uključuje nanošenje vodikovog peroksida na drvo balsa nakon čega se drvo izlaže UV svjetlu pomoću UV lampi na 1 sat dok prirodna boja drva ne postane potpuno bijela. Lignin se odvaja od strukture celuloze i hemiceluloze, čime drvo postaje bijelo i pogodno za prodiranje smole. Finalno, uzorak se uranja u smolu s odgovarajućim indexom loma, najčešće polimetil metakrilat (PMMA), pod 85 ° C u vakuumu. Dodana smola ispunjava prostor koji je prethodno zauzimao lignin i otvorena drvna stanična struktura.

Što čini predmet transparentnim?

Kad svjetlost pada na predmet, fotoni stupaju u interakciju s predmetom kombinacijom apsorpcije, refleksije i transmisije, te ovisno o količini apsorpcije, refleksije ili transmisije predmet postaje proziran ili neproziran.  Točnije, pokazuju potpuni prijenos nepromijenjenih svjetlosnih valova.

Nekoliko parametara može utjecati na optičku propusnost: indeks loma, debljina predmeta, hrapavost površine, poroznost, raspodjela pora i slično. Što je veći indeks loma između dva medija, jače je rasipanje svjetlosti, što znači da će se veći postotak svjetlosti reflektirati, te će se dogodit manje propuštanje svjetlosti. Drvo je neprozirni materijal zbog svoje optičke heterogene prirode, porozne strukture, različitih kemijskih komponenti u staničnoj stijenci s različitim indeksima loma i prisutnosti kemijskih elemenata koji jako upijaju svjetlost. Raspršenje svjetlosti događa se na svim površinama između stanične stijenke i zraka te neusklađenost indeksa loma glavnih kemijskih komponenti: celuloze (1,53), hemiceluloze (1,53) i lignina (1,61) dovodi do rasipanja svjetlosti. Drvo većinski apsorbira svjetlosti zbog lignina koji čini 80-95% apsorpcije svjetlosti. Uklanjanjem lignina iz strukture drva uklanja se glavni krivac za neprozirnost predmeta, te njegovom zamjenom s PMMA postiže se potreban index loma za postizanje transparentnosti drva.

Mehanička svojstva transparentnog drva

Mehanička svojstva važna su za mnoge razmatrane primjene. Mehanička svojstva u velikoj mjeri ovise o vrsti drva, gustoći, sadržaju celuloze, morfologiji stanične strukture, godišnjoj strukturi prstena i anizotropiji same strukture drva. Anizotropija je sposobnost nekog materijala da njegova fizikalna svojstva poprimaju različite vrijednosti za različite smjerove.

Istraživači iz Kine u radu „Study on the Colorimetry Properties of Transparent Wood Prepared from Six Wood Species“ testirali su mehanička svojstva transparentnog drva i zaključuju da mehaničko ispitivanje otkriva dobar sinergijski učinak između drva i PMMA duž smjera vlakana. Propusnost svjetla i vlačna čvrstoća nekih vrsta drva povećane su za 14-40%. Iako su specifične vrijednosti različite kod različitih vrsta drva, mehanička svojstva drva su povećana, što ukazuje da je ovaj postupak primjenjiv na različite vrste drva. Vlačna svojstva transparentnog drva su puno veća nego kod drva koji nije oslobođen lignina, te je tretiran samo s PMMA. Vlačna svojstva prozirnog drva su poboljšana povećavanjem volumskog udjela celuloze te se vlačna svojstva stoga mogu prilagoditi kompresijom drvene strukture na željenu debljinu i sadržaj celuloze. Anizotropija drvo omogućava veća tlačna i vlačna svojstva u uzdužnom smjeru pružanja drvnih vlakna više nego u radijalnom smjeru. Razlog tome su svojstva stanične stijenke i geometrijski oblik drvenih vlakana. Žilavost pri lomu transparentnog drva je znatno veća nego kod drugih transparentnih materijala kao što je staklo, što mu omogućuje primjenu gdje su udarna svojstva važna.

Profesor s KTH Kraljevskog instituta za tehnologiju, Lars Berglund tvrdi da je moguće da transparentno drvo postane jeftino, lako dostupno i obnovljiv izvor te da se može masovno proizvoditi i koristiti u komercijalne svrhe. No, navedena tvrdnja je za sada samo u teoriji, u procesu istraživanja i eksperimentiranja te su proizvedeni uzorci još uvijek malih dimenzija. Zapažen je napredak u poboljšanju mehaničkih svojstava, proizvode se veći i deblji uzorci te transparentno drvo ima veliki potencijal da postane važan građevinski materijal u budućnosti.