科学者が透明な木を作る理由

30年前、ドイツのある植物学者は、木本植物を解剖せずに内部作用を見るという単純な希望を持っていました。 Siegfried Finkは植物細胞の色素を漂白することによって 透明な木を作る、彼はニッチの木材技術ジャーナルに彼の技術を発表しました。 1992年の論文は、Lars Berglundという研究者が偶然発見するまで、10年以上透明木材の最後の言葉として残りました。

BerglundはFinkの発見からインスピレーションを得ましたが、植物学的な理由からインスピレーションを得ませんでした。 スウェーデンのKTH王立技術研究所で働く材料科学者である彼は、高分子複合材を専門としており、透明プラスチックへのより堅牢な代替案を作成することに興味がありました。 そして彼は木の利点に興味がある唯一の人ではありませんでした。 海の向かいにあるメリーランド大学の研究者たちは、非伝統的な目的のために木材の強度を活用することに関連する目標のために忙しかったです。

今年の実験の終わりに、これらのグループの研究は結実を始めました。 透明木材はすぐに超強力なスマートフォンの画面に使用できます。 滑らかで輝く照明器具から。 色が変化する窓などの構造的特徴としても使用されます。

Berglundの研究室で大学院生として働いた中国のNanjing Forestry Universityの木材ナノ技術者Qiliang Fuは、「私はこの材料が有望な未来を持っていると心から信じています」と述べました。

木は、草で囲まれた細かいストローの束のように、多数の小さな垂直通路で構成されています。 この管状細胞は水と栄養素を体全体に運びます。 木そして、木が収穫され、水分が蒸発すると空気のポケットが残ります。 透明な木を作るために、科学者は最初に細胞の束を一緒に固定し、茎と枝にほとんどの茶色の茶色の色合いを提供するリグニンと呼ばれる接着剤を修正または除去する必要があります。 リグニンの色を漂白または除去した後も、中空細胞の乳白色骨格が残る。

この骨格はまだ不透明です。 なぜなら、細胞壁は細胞ポケットの中の空気とは異なる程度に光を曲げるからです。 この値を屈折率と呼びます。 光をセルの壁と同じ程度に屈折させるエポキシ樹脂のような材料でエアポケットを充填すると、木材は透明になります。

科学者が作業した材料は薄いです。 通常、厚さは1mm未満から約1cmです。 しかし、セルは頑丈なハニカム構造を作り、小さな木繊維は最高の炭素繊維よりも強いとメリーランド大学カレッジパークで透明木材研究グループを率いる材料科学者Liangbing Huは言います。 そして樹脂を加えた透明木材はプラスチックやガラスよりも性能に優れています。 材料が圧力によってどのくらい簡単に壊れているか壊れているかを測定したテストでは、透明木材はフレキシガラスなどの透明プラスチックよりも約3倍、ガラスより約10倍強いことがわかりました。

「木の彫刻がガラスほど強いかもしれないという結果は驚くべきことです」とHuは言います。 透明な木の特徴 2023年の材料研究年次レビューで。

このプロセスは厚い木材にも適用されますが、より多くの光を散乱させるため、その材料を通る視野はよりぼやけています。 HuとBerglundは、2016年の元の研究で、樹脂で満たされた木の骨格のミリメートル厚さシートが光の80〜90％を通過することを発見しました。 厚さが１ｃｍに近いほど、光透過率は低下する。 Berglundのグループは、厚さ3.7mmの木材（約2ペニー厚）が光の40％しか透過しないと報告しました。

この材料のスリムなプロファイルと強度は、ディスプレイ画面のように薄くて簡単に壊れているプラ​​スチックやガラスで作られた製品に優れた代替品になることを意味します。 たとえば、フランスの会社であるWoodooは、木製のスクリーンに同様のリグニン除去プロセスを使用していますが、異なる色の美学を作るために少しのリグニンを残しています。 同社は、自動車ダッシュボードや広告掲示板などの製品に合わせてリサイクル可能なタッチセンシングデジタルディスプレイをカスタマイズしています。

しかし、ほとんどの研究は建築的特徴として透明な木材に重点を置いており、特に窓を利用した用途が有望であるとインド技術研究所バラナシ(Indian Institute of Technology Varanasi)の生化学エンジニアであるProdyut Dharは言います。 透明な木材はガラスよりもはるかに優れた断熱材であるため、建物が熱を維持または遮断するのに役立ちます。 Huと同僚はまた、接着剤や食品包装に使用されるポリマーであるポリビニルアルコール（PVA）を使用して木の骨格に浸透し、一定の速度で熱を伝導する透明な木材を作りました。 ガラスより5倍低く、 チームは2019年にAdvanced Functional Materialsに報告しました。