なぜ科学者は透明な木材を作るのでしょうか? | テクノロジー

30 年前、ドイツの植物学者は、木本植物を解剖せずに内部の仕組みを観察したいという単純な願いを持っていました。 ジークフリート・フィンクは 透明な木を作る 植物細胞の色素を漂白し、その技術を木材技術専門誌に発表しました。 1992 年の論文は、ラース ベルグルンドという名前の研究者が偶然この論文を見つけるまで、10 年以上にわたって透明な木材に関する最後の言葉でした。

ベルグルンドはフィンクの発見に触発されましたが、植物学的理由からではありませんでした。 スウェーデンの KTH 王立工科大学で働くこの材料科学者は、ポリマー複合材料を専門としており、透明なプラスチックに代わるより堅牢な代替品の作成に興味を持っていました。 木の良さに興味を持っていたのは彼だけではありませんでした。 海の向こう、メリーランド大学の研究者たちは、木材の力を非伝統的な目的に利用するという、関連する目標に取り組んでいた。

長年にわたる実験を経て、現在、これらのグループの研究は実を結び始めています。 透明な木材は間もなく、超耐久性のあるスマートフォンのスクリーン、柔らかな光のランプ、さらには色が変化する窓などの構造要素にも使用される可能性があります。

「この材料には有望な将来があると心から信じています」と、大学院生としてバーグルンド氏の研究室で働いていた中国の南京林業大学の木材ナノテクノロジー学者、キリアン・フー氏は言う。

木材は無数の小さな垂直溝で構成されており、まるで接着剤でつなぎ合わせたストローの束や束のようになります。 これらの管状の細胞は水と栄養素を木全体に輸送し、木が切り倒されて水分が蒸発すると、空気のたまりが残ります。 透明な木材を作るために、科学者たちはまず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。この接着剤は細胞の束をつなぎ合わせ、幹や枝に土っぽい茶色の色調を与えています。 リグニンの色を漂白または除去すると、乳白色の中空細胞の骨格が残ります。

この骨格は不透明のままです。これは、細胞壁が細胞空洞内の空気とは異なる方法で光を曲げるためであり、その値を屈折率と呼びます。 細胞壁と同程度に光を曲げるエポキシ樹脂などの物質でエアポケットを充填すると、木材は透明になります。

科学者たちが扱った材料は薄く、通常は厚さが 1 ミリメートルから 1 センチメートルの間です。 しかし、メリーランド大学カレッジパーク校の透明木材研究グループを率いる材料科学者リャンビン・フー氏によると、細胞は堅牢なハニカム構造を形成しており、小さな木繊維は最高級の炭素繊維よりも強いという。 また、樹脂を添加することで、透明な木材はプラスチックやガラスよりも優れた性能を発揮します。圧力下で材料がどれだけ簡単に割れたり破損したりするかを測定するテストでは、透明な木材はガラスなどの透明なプラスチックよりも約 3 倍強いことが判明しました。 プレキシガラスとガラスの約10倍。

「結果は驚くべきもので、木片がガラスと同じくらい耐久性があるということです」と胡氏は述べ、 木の特徴 透明な 材料研究の年次レビュー 2023年の。

このプロセスは厚い木材にも適用できますが、より多くの光が散乱されるため、その物質を通した視界はよりぼやけます。 フー氏とベルグルンド氏は、2016年の最初の研究で、樹脂で満たされた木の骨組みのミリメートルシートが光の80～90パーセントを透過することを発見した。 厚さが 1 センチメートルに近づくと、光の通過は減少します。ベルグルンドのグループは、厚さ 3.7 ミリメートルの木 (およそ 5 セント硬貨 2 枚の厚さ) は光だけを通過させると報告しました。 明るさは40％。

スリムなプロファイルと材料の強度により、ディスプレイ画面など、薄くて壊れやすいプラスチックやガラスのカットで作られた製品の優れた代替品となる可能性があります。 たとえば、フランスの Woodoo 社は、自社の木製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、別の色の美しさを生み出すために一部のリグニンを残しています。 同社は、リサイクル可能なタッチセンサー式デジタル ディスプレイを車のダッシュボードや看板などの製品に採用しています。

しかし、インド工科大学バラナシ校の生化学エンジニア、プロデュット・ダール氏によると、ほとんどの研究は建築要素としての透明な木材に焦点を当てており、窓は特に有望な用途であるという。 透明な木材はガラスよりも断熱性に優れているため、建物の熱を保持したり遮断したりするのに役立つ可能性があります。 胡氏らはまた、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）を木の骨格に浸透させるために使用し、より速い速度で熱を伝導する透明な木材を製造した。 ガラスの5倍の軽さ、 チームは2019年に次のように報告した。 先端機能材料。

そして研究者たちは、エネルギー効率の高い建物に役立つ、木材の熱を保持または放出する能力を高めるための他の調整を考え出しています。 スウェーデンのRISE研究所の材料科学者であるセリーヌ・モンタナリ氏とその同僚らは、固体から液体、またはその逆の状態に変化するときに熱を蓄えてから放出する相変化材料を実験した。 たとえば、科学者らは、ポリエチレングリコールを組み込むことによって、木材が熱いときに熱を蓄え、冷えるにつれて熱を放出できることを発見した。 ACS アプライド マテリアルズとインターフェイス 2019年に。

したがって、透明な木製の窓は従来のガラスよりも強度が高く、温度制御に役立ちますが、窓からの眺めは曇り、通常の窓よりもすりガラスのようになります。 ただし、ユーザーが拡散光を必要とする場合、星雲は利点となる可能性があります。木は厚くて強いため、建物の重量の一部を支える光源になる可能性があります。たとえば、建物に柔らかな光を提供する屋根などです。部屋です、とベルグルンドは言います。

フー氏とベルグルンド氏は、透明な木材に新たな特性を与える方法を模索し続けてきた。 約 5 年前、KTH とジョージア工科大学のバーグランド氏と同僚は、模倣できることを発見しました。 スマートウィンドウ、透明から色付きに変化して、視界や太陽光線をブロックできます。 研究者らは、電気を通すために電極ポリマーでコーティングされた透明な木材の層の間にエレクトロクロミックポリマー（電気によって色を変えることができる物質）を挟んだ。 このようにして作成されました 変化する木製パネル ユーザーが小さな電流を流すと、透明からマゼンタに変わります。

最近では、この 2 つのグループは透明木材生産の持続可能性の向上に焦点を当てています。 たとえば、木製足場の充填に使用される樹脂は通常、石油由来のプラスチック製品であるため、その使用を避けるのが最善だとモンタナリ氏は言います。 代替品として、彼女と同僚は完全に生物学的なポリマーを発明しました。 柑橘類の皮由来。 研究チームはまず、アクリル酸と、エッセンシャルオイルに含まれるレモンとオレンジの皮から抽出される化学物質であるリモネンを組み合わせた。 次に、脱リグニンした木材にそれを含浸させました。 フルーティーなフィラーを使用した場合でも、バイオベースの透明な木材は機械的および光学的特性を維持し、通常の木材よりも約30メガパスカルの圧力に耐え、光の約90％を透過したと研究者らが2021年に報告した。 先端科学。

胡氏の研究室は、最近、次の論文を発表した。 科学の進歩 そして リグニン漂白のより環境に優しい方法 過酸化水素と紫外線を利用することで、生産に必要なエネルギーをさらに削減します。 研究チームは、厚さ0.5～3.5ミリメートルの木のスライスに過酸化水素をブラシで塗り、それをUVランプの前にかざして太陽光線を模倣した。 紫外線は色素を含むリグニンの部分を漂白しましたが、構造部分は無傷のまま残し、木材の強度をさらに保つのに役立ちました。

これらのより環境に優しいアプローチは、生産時に使用される有毒化学物質や化石ポリマーの量を制限するのに役立ちますが、デ・ダール氏らの分析によれば、現時点では透明な木材よりもガラスの方が耐用年数が終わった時点での環境への影響は依然として低いということです。 トータル環境の科学。 研究者らは、透明木材を主流市場に導入するには、より環境に優しい生産システムの導入と製造規模の拡大の2つのステップが必要だが、それには時間がかかると述べている。 しかし、彼らはそれが可能であると信じており、持続可能な素材としての可能性を信じています。

「持続可能性を達成しようとするとき、単に化石ベースの材料の特性を一致させるだけではだめです」とモンタナリ氏は言います。 「科学者として、この問題を克服したいと思っています。」

記事の翻訳者 デビー・ポンチナー。

この記事は最初に掲載されました スペイン語でわかる科学知識を誰もが利用できるようにすることに特化した非営利出版物。

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