¿Por qué los científicos fabrican madera transparente?

Tenía 30 años, un botánico alemán tenía un simple deseo: ver la función interna de las plantas leñosas sin diseccionarlas. Siegfried Fink pensó en crear la resina transparente blanqueando los pigmentos de las células vegetales y publicó su técnica en una revista especializada en tecnología cerámica. El artículo de 1992 fue la última palabra sobre fabricación transparente durante más de una década, hasta que un investigador llamado Lars Berglund se dio cuenta.

Berglund se inspiró en el descubrimiento de Fink, pero no por razones botánicas. El científico de materiales, que trabaja en el Real Instituto de Tecnología KTH de Suecia, está especializado en compuestos poliméricos y está interesado en crear una alternativa más robusta al plástico transparente. Y nadie fue el único interesado en las virtudes de la madera. Al otro lado del océano, investigadores de la Universidad de Maryland han estado trabajando en un objetivo relacionado: probar la resistencia de la piedra para detectar finos no tradicionales.

Ahora, tras años de experimentos, las investigaciones de estos grupos apuestan por dar frutos. El lienzo transparente podría usarse inmediatamente en pantallas súper duraderas para teléfonos inteligentes, en lámparas de luz suave e incluso en elementos estructurales, como ventanas que cambian de color.

«Creo sinceramente que este material tiene un futuro prometedor», dice Qiliang Fu, nanotecnólogo de fabricación de la Universidad Forestal de Nanjing, China, que trabajó en el laboratorio de Berglund como estudiante de posgrado.

La estructura está formada por innumerables pequeños canales verticales, a modo de separador combinado o un par de pajitas individuales con pegmentación. Estas células en forma de tubo transportan agua y nutrientes desde todo el árbol y, a medida que se seca y la humedad se evapora, actúan como bolsas de aire. Para crear una estructura transparente, los científicos primero tuvieron que modificar o eliminar el pegamento, llamado lignina, que mantiene unidos los pelos de las células y proporciona a los troncos y ramas la mayor parte de sus tonos marrones terrosos. Blanqueando el color de la lignina o eliminándola, conseguirás un tono blanco limpio de tus células.

Este ejemplo permanece opaco porque las paredes celulares desvían la luz de una forma distinta como lo hace el aire de las cavidades celulares, un valor llamado índice de refracción. Al llenar las bolsas de aire con una sustancia como resina epoxi, que ve la luz en un grado similar a las paredes celulares, la tela resultó transparente.

El material con el que trabajan los científicos es delicado: debe tener entre un milímetro y un centímetro de ancho. Pero las células crean una estructura de panel fuerte, y las diminutas fibras de madera son más fuertes que las mejores fibras de carbono, confirma el científico de materiales Liangbing Hu, que dirige el Grupo de Investigación de la Facultad de Piedra Transparente de la Universidad de Maryland. Y con resina añadida, el plástico transparente supera al plástico y al vidrio: cuando se probó la facilidad con la que los materiales se fracturan o rompen a baja presión, el plástico transparente fue tres veces más fuerte que los plásticos transparentes como el vidrio, el plexiglás y una vez 10 veces más que el vidrio.

“Los resultados son sorprendentes: un trozo de madera puede ser tan resistente como el vidrio”, afirma Hu, que desgrana las características de la madera transparente Revisión anual de la investigación de materiales de 2023.

El proceso funciona incluso con el procesamiento más sangriento, pero la visión a través de esta sustancia es más borrosa porque está más dispersa que la luz. En sus estudios originales de 2016, Hu y Berglund descubrieron que las láminas milimétricas de conchas de madera rellenas de resina dejan pasar entre el 80% y el 90% de la luz. A medida que la masa se acerca a un centímetro, el tono de la luz disminuye: el grupo de Berglund informó que la masa de 3,7 milímetros (aproximadamente la masa de dos monedas de cinco centavos) dejó de pasar por sí sola el 40% de la luz.

El perfil delgado y la resistencia del material pueden ser una excelente alternativa a los productos fabricados con productos de vidrio o plástico delgados y fáciles de romper, como las pantallas de visualización. La empresa francesa Woodoo, por ejemplo, utiliza un proceso similar para eliminar la lignina de sus paneles de madera, pero deja algo de lignina para crear una estética de color diferente. La empresa está adaptando sus pantallas digitales táctiles y reciclables a productos como mesas para automóviles y vallas publicitarias.

Pero la mayor parte de las investigaciones se han centrado en la madera transparente como elemento arquitectónico, siendo las ventanas un uso especialmente potenciador, afirma Prodyut Dhar, ingeniero bioquímico del Instituto Indio de Tecnología de Benarés. La estructura transparente es mucho más aislante que el vidrio, por lo que puede ayudar a los edificios a retener el calor o mantenerlo fuera. Hu y sus colegas también utilizaron alcohol polivinílico, o PVA, un polímero utilizado en ligamentos y envases de alimentos, para infiltrarse en los esqueletos de madera, produciendo madera transparente que conduce el calor cinco veces menos rápido que el vidrio, informó al equipo en 2019. Materiales funcionales avanzados.

Y los investigadores están ideando otras formas de aumentar la capacidad de la estructura para retener o liberar calor, lo que sería útil para edificios energéticamente eficientes. Céline Montanari, científica de materiales del Institutos de Investigación RISE de Suecia, y sus colegas experimentan con materiales de cambio de fase, que pasan de almacenar a liberar calor cuando pasan de un estado sólido a uno líquido, o viceversa. Al incorporar polietilenglicol, por ejemplo, los científicos descubrieron que su casa podía almacenar calor cuando estaba caliente y liberar calor cuando se enfriaba, trabajo que publicaron Materiales e interfaces aplicados ACS. en 2019.

En última instancia, las ventanas de madera transparente serán más resistentes y ayudarán a controlar las temperaturas mejor que el vidrio tradicional, pero la vista a través de ellas será borrosa, más parecida al vidrio esmaltado que a una ventana normal. Sin embargo, la neblina podría ser una ventaja si los usuarios quieren una luz difusa: como la madera es más dura y resistente, podría ser una fuente de luz que soporte parte del peso de un edificio, como un técnico que le proporcionará una luz suave a habitación, dice Berglund.

Hu y Berglund siguieron el juego buscando formas de dar nuevas propiedades a la estructura transparente. Han pasado cinco años desde que Berglund y sus colegas de KTH y el Instituto Tecnológico de Georgia descubrieron que pueden imitar ventanas inteligentes, que pueden cambiar transparencias de colores para bloquear la visibilidad o los rayos del sol. Los investigadores intercalaron un polímero electrocrómico (una sustancia que puede cambiar de color con la electricidad) entre tapas de madera transparentes recubiertas con un polímero de electrodo para conducir la electricidad. Así se creó un panel de madera que cambia de transparente a magenta cuando los usuarios pasan por delante de una pequeña corriente eléctrica.

Más recientemente, los dos grupos han centrado su atención en mejorar la sostenibilidad de la producción de madera transparente. Por ejemplo, la resina utilizada para rellenar las capas de gamuza es un producto plástico a base de petróleo, por lo que es mejor evitar su uso, dice Montanari. En cambio, ella y sus colegas inventaron un polímero totalmente orgánico, derivado de cascadas de cítricos. El equipo combinó el primer ácido acrílico y limón, una sustancia química extraída de las cáscaras de limón y naranja que se encuentra en los alimentos esenciales. Luego se sumergen en madera deslignificada. Incluido con el hueso frutal, el hueso transparente de base biológica mantiene sus propiedades mecánicas y ópticas, soporta 30 megapascales de presión más que el hueso normal y transmite alrededor del 90% de la luz, según información de investigadores en 2021. ciencia avanzada.

El laboratorio de Hu, por su parte, acaba de ser publicado. Avances en la ciencia un método de blanqueo de lignina más respetuoso con el medio ambiente basado en peróxido de hidrógeno y radiación UV, que reduce aún más la demanda de energía de producción. El cepillo se combina con varillas de peróxido de hidrógeno de madera de entre 0,5 y 3,5 mm de espesor y luego se colocan frente a las lámparas UV para imitar los rayos del Sol. Los rayos UV blanquean las partes de la lignina que contienen pigmentos, pero dejan las partes estructurales. intacto, lo que ayuda a retener más fuerza de la madera.

Estas plantas, más respetuosas con el medio ambiente, ayudan a limitar la cantidad de productos químicos tóxicos y polímeros fósiles utilizados en la fabricación, pero el vidrio sigue teniendo ahora un menor impacto medioambiental al final de su vida útil gracias a la madera transparente, según un análisis de Dhar y su equipo. colegas ciencia ambiental total. Los investigadores afirman que adoptar sistemas de producción más ecológicos y ampliar la fabricación son los pasos necesarios para introducir la madera transparente en los principales mercados, pero llevará tiempo. Sin embargo, confía en lo que es posible y cree en su potencial como material sostenible.

«Cuando se intenta lograr la sostenibilidad, no sólo se desea igualar las propiedades de los materiales de origen fósil», afirma Montanari. “Como científico quiero superarlo”.