چرا دانشمندان چوب شفاف می‌سازند؟ /نیرومندتر از پلاستیک و محکم‌تر از شیشه_بام وطن

سی سال پیش گیاه شناسی در آلمان یک آرزوی ساده داشت: مشاهده کارکرد درونی گیاهان چوبی بدون تشریح آن ها. “زیگفرید فینک” با سفید کردن رنگدانه‌های حاضر در سلول‌های گیاهی موفق شد چوب شفاف تشکیل کند و گزارش تکنیک خود را در مجله فناوری چوب انتشار کرد.

مقاله انتشار شده او در سال ۱۹۹۲ میلادی آخرین کلمه در رابطه چوب شفاف برای بیشتر از یک دهه باقی ماند تا این که محققی به نام “لارس برگلوند” به طور اتفاقی با آن برخورد کرد. برگلوند  از کشف فینک الهام گرفت،  اما نه به دلایل مرتبط گیاه شناسی. این دانشمند مواد که در موسسه فناوری سلطنتی KTH در سوئد کار می‌کند و در حوزه کامپوزیت‌های پلیمری تخصص دارد علاقمند به تشکیل یک جانشین نیرومندتر برای پلاستیک شفاف می بود. او تنها فردی نبوده است که به مزیت‌های چوب علاقه داشت. محققان دانشگاه مریلند نیز مشغول یک مقصد مرتبط بودند: مهار استحکام چوب برای اهداف غیر سنتی.

اکنون بعد از سال‌ها آزمایش تحقیقات این گروه‌ها در حال به ثمر نشستن است. چوب شفاف به زودی می‌تواند در صفحات نمایشگر فوق العاده قوی برای تلفنهای تلفن هوشمند کاربرد اشکار کند در وسایل نوری نرم و درخشان و حتی به گفتن ویژگی‌های ساختاری همانند پنجره‌های با قابلیت تحول رنگ.

“کیلیانگ فو” متخصص نانوتکنولوژی چوب در دانشگاه جنگلداری نانجینگ در چین که به گفتن دانشجوی فارغ التحصیل در آزمایشگاه برگلوند کار می‌کرد می‌گوید:”من واقعا معتقدم که این ماده آینده امیدوارکننده‌ای دارد”.

چوب از کانال‌های عمودی بی شماری راه اندازی شده است همانند یک بسته نی محکم که با چسب به هم متصل شده اند. این سلول‌های لوله‌ای شکل آب و مواد مغذی را به سراسر درخت انتقال خواهند داد و وقتی که درخت برداشت شده و رطوبت آن تبخیر می‌شود حفره‌هایی از هوا باقی می‌همانند. برای تشکیل چوب شفاف دانشمندان ابتدا باید چسبی به نام لیگنین را اصلاح کنند یا از شر آن خلاص شوند چرا که دسته‌های سلولی را در کنار هم نگه می‌دارد و بیش‌تر رنگ‌های قهوه‌ای خاکی را به تنه‌ها و شاخه‌ها می‌بخشد. بعد از سفید کردن  رنگ لیگنین یا حذف آن، یک اسکلت سفید شیری رنگ از سلول‌های توخالی باقی می‌ماند. این اسکلت تا این مدت مات است، چون دیواره‌های سلولی نور را به درجاتی متفاوت از هوای حاضر در کیسه‌های سلولی می‌شکنند مقداری که ضریب ناکامی نامیده می‌شود.

پر کردن محفظه‌های هوا با ماده‌ای همانند رزین اپوکسی که نور را به درجه‌ای شبیه در دیواره سلولی می‌شکند چوب را شفاف می‌سازد. موادی که دانشمندان با آن کار کردند نازک می باشند و طبق معمول کم‌تر از یک میلی متر تا نزدیک به یک سانتی متر ضخامت دارند. لیانگ بینگ هو دانشمند مواد که سرپرستی گروه تحقیقاتی که روی چوب شفاف در دانشگاه مریلند کار می‌کند را برعهده دارد می‌گوید سلول‌ها ساختار لانه زنبوری محکمی تشکیل می‌کنند و الیاف ریز چوب نیرومندتر از بهترین الیاف کربن می باشند با افزودن رزین چوب شفاف از پلاستیک و شیشه بهتر عمل می‌کند: در آزمایش‌هایی که اندازه گیری آسانی شکستن یا شکستن مواد تحت سختی انجام شد اشکار شده می بود که  چوب شفاف سه برابر نیرومندتر از پلاستیک‌های شفاف همانند پلکسی گلاس و نزدیک به ده برابر سخت‌تر از شیشه عمل می‌کند. هو که ویژگی‌های چوب شفاف را در بازدید سالانه تحقیقات مواد در سال ۲۰۲۳ برجسته ساخته می‌گوید:”نتایج شگفت انگیز می باشند این که یک تکه چوب می‌تواند به اندازه شیشه قوی باشد”.

این فرآیند با چوب ضخیم‌تر نیز کار می‌کند، اما نمای آن ماده تیره‌تر است، چون نور بیش تری را پخش می‌کند. هو و برگلوند در مطالعات اولیه خود در سال ۲۰۱۶ میلادی هر دو دریافتند که ورقه‌های نازک میلی متری اسکلت چوبی مملو از رزین ۸۰ تا ۹۰ درصد نور را از خود عبور خواهند داد. با نزدیک‌تر شدن ضخامت به یک سانتی متر عبور نور افت می‌یابد. گروه تحت رهبری برگلوند گزارش داد که چوب با ضخامت ۳.۷ میلی متر فقط ۴۰ درصد نور را از خود عبور می‌دهد.

ویژگی باریک بودن و استحکام آن ماده بدان معناست که می‌تواند جایگزینی عالی برای مخصولات ساخته شده از برش‌های نازک پلاستیک یا شیشه همانند صفحات نمایشگر باشد. برای مثال، شرکت فرانسوی Woodoo  از فرآیند حذف لیگنین شبیه در صفحه‌های چوبی خود منفعت گیری می‌کند، اما مقداری لیگنین را برای تشکیل زیبایی رنگ متفاوت باقی می‌گذارد. این شرکت نمایشگر‌های دیجیتالی قابل بازیافت و حساس به لمس خود را برای محصولاتی از جمله داشبورد ماشین و بیلبورد‌های تبلیغاتی طراحی می‌کند.

گپرودیوت دار” مهندس بیوشیمی در موسسه فناوری واراناسی هندوستان می‌گوید:”با این وجود، اکثر تحقیقات بر روی چوب شفاف به گفتن یک ویژگی معماری متمرکز شده اند و منفعت گیری از آن در پنجره‌ها زیاد امیدوار کننده است. چوب شفاف عایق زیاد بهتری نسبت به شیشه است به این علت، می‌تواند به ساختمان‌ها در نگه داری گرما یا جلوگیری از آن پشتیبانی کند. آن  تیم در سال ۲۰۱۹ با انتشار کردن مقاله‌ای گزارش داد که هو و همکاران اش هم این چنین از پلی وینیل الکل  یا  PVA پلیمری که در چسب و بسته بندی مواد غذایی از آن منفعت گیری می‌شود برای نفوذ به اسکلت‌های چوبی منفعت گیری کرده اند و چوب شفافی می‌سازند که حرارت را با سرعتی پنج برابر کمتر از شیشه هدایت می‌کند. محققان در حال اراعه ترفند‌های فرد دیگر برای افزایش توانایی چوب به منظور نگهداری یا آزاد کردن گرما می باشند که به برای کاربرد در ساختمان‌های کم مصرف از نظر انرژی سودمند است.

“سلین مونتاناری” دانشمند مواد در موسسه تحقیقاتی RISE سوئد و همکاران اش آزمایشی را با مواد تحول فاز دهنده انجام دادند موادی که هنگامی از جامد به مایع تبدیل خواهد شد از ذخیره به گرمای آزاد شده تبدیل خواهند شد یا بالعکس. برای مثال، دانشمندان با ترکیب  پلی اتیلن گلیکول دریافتند که چوب آنان می‌تواند گرما را در زمان گرم بودن ذخیره کند و میانه سرد شدن گرما را آزاد کند کاری که آنان نتایج مشاهدات شان درمورد آن را در سال ۲۰۱۹ میلادی در نشریه ACS Applied Materials and Interfaces انتشار کردند.

به این علت، پنجره‌های چوبی شفاف نیرومندتر می باشند و بهتر از شیشه‌های سنتی به کنترل دما پشتیبانی می‌کنند، اما نمای آن‌ها مه آلود است و بیش‌تر همانند شیشه‌های مات به نظر می‌رسد تا شیشه پنچره‌های معمولی. با این وجود، اگر کاربران  نور پراکنده بخواهند تیرگی می‌تواند یک مزیت باشد: از آنجایی که چوب ضخیم‌تر قوی است می‌تواند یک منبع نور تا حدی باربر باشد که به طور بالقوه به گفتن سقفی عمل می‌کند که نور ملایم و محیطی را برای اتاق فراهم می‌سازد.

هو و برگلوند به بازی با راه حلهایی برای اعطای خواص تازه به چوب شفاف ادامه داده اند. برگلوند نزدیک به پنج سال پیش به همراه همکاران اش در  KTH و موسسه فناوری جورجیا دریافتند که می‌توانند پنجره‌های هوشمند را پیروی کنند پنجره‌هایی که قادر می باشند از شفاف به رنگی تبدیل شوند تا دید یا پرتو‌های خورشید را مسدود کنند. محققان یک پلیمر الکتروکرومیک ماده‌ای که می‌تواند با الکتریسیته تحول رنگ دهد را بین لایه‌های چوب شفاف پوشیده شده با پلیمر الکترودی قرار دادند تا الکتریسیته را هدایت کند. آن ماده که صفحه چوبی تشکیل کرد وقتی که کاربران جریان الکتریکی مقداری را از آن عبور خواهند داد از شفاف به سرخابی تغیر رنگ اشکار می‌کند.

اخیرا آن دو گروه دقت خود را به بهبود پایداری تشکیل چوب شفاف معطوف کرده اند. برای مثال، رزین مورد منفعت گیری به منظور  پر کردن داربست‌های چوبی طبق معمول یک محصول پلاستیکی مشتق شده از نفت می‌باشد. به این علت، بهتر است از اسئفاده از آن خودداری ورزید. برای اراعه بدیل برگلوند و همکاران اش یک پلیمر کاملا زیستی را اختراع کردند که از پوست مرکبات مشتق شده می بود. آن تیم ابتدا اسید اکریلیک و لیمونن یک ماده شیمیایی استخراج شده از پوست لیمو و پرتقال را که در روغن‌های الزامی یافت می‌شود ترکیب کردند. سپس چوب‌های خوش رنگ را با آن آغشته نمودند.

محققان در سال ۲۰۲۱ میلادی در نشریه Advanced Science گزارش دادند که حتی با پر کردن میوه‌ای نیز چوب شفاف مبتنی بر فناوری زیستی خواص مکانیکی و نوری خود را نگه داری کرد و نزدیک به ۳۰ مگا پاسکال سختی بیش‌تر از چوب معمولی را تحمل نمود و نزدیک به ۹۰ درصد نور را از خود عبور داد. در همین حال، آزمایشگاه تحت رهبری هو اخیرا با انتشار کردن گزارشی در Science Advances به روش سازگارتر با محیط زیست برای سفید کردن  لیگنین اشاره کرده که مبتنی بر  پراکسید هیدروژن و اشعه ماوراء بنفش است و  انرژی مورد نیاز تشکیل را افت می‌دهد.

آن تیم برش‌های  چوبی با ضخامت نزدیک به ۰.۵ تا ۳.۵ میلی متر را با پراکسید هیدروژن آغشته کردند سپس آن برش‌ها را در روبه رو لامپ‌های مبتنی بر اشعه ماوراء بنفش قرار دادند تا نتیجه شبیه قرار گرفتن در روبه رو اشعه خورشید را پیروی کنند. اشعه ماوراء بنفش تکه‌های حاوی رنگدانه لیگنین را سفید کرد، اما تکه‌های ساختاری را دست نخورده باقی گذاشت. به این علت، به نگه داری استحکام زیاد تر در چوب پشتیبانی نمود.

 این رویکرد‌های سازگارتر با محیط زیست به محدود کردن مقدار مواد شیمیایی سمی و پلیمر‌های مبتنی بر فسیل در تشکیل پشتیبانی می‌کند، اما بر پایه تحلیل دار و همکاران اش که در نشریه ساینس انتشار شده اکنون شیشه کماکان اثرات زیست محیطی آخر عمر کمتری نسبت به چوب شفاف دارد. به حرف های محققان استقبال از مطرح تشکیل سازگارتر با محیط زیست و افزایش تشکیل دو مرحله الزامی برای افزودن چوب شفاف به بازار‌های مهم است، اما زمان بر خواهد می بود. با این وجود، آنان یقین می باشند که می‌توان این کار را انجام داد و به ظرفیت بالقوه آن به گفتن یک ماده پایدار باور دارند.