TECNOLOGÍA. Por qué los científicos están fabricando madera transparente

Por qué los científicos están fabricando madera transparente

 

Fuente: WILEY‐VCH VERLAG GMBH & KGAA, WEINHEIM / CC BY-NC-ND 4.0

Más fuerte que el plástico y más resistente que el vidrio, el material relleno de resina se está explotando para pantallas de teléfonos inteligentes, ventanas aislantes y más

15 diciembre 2023.- Hace treinta años, un botánico en Alemania tenía un simple deseo: ver el funcionamiento interno de las plantas leñosas sin diseccionarlas. Al eliminar los pigmentos de las células vegetales, Siegfried Fink logró crear madera transparente y publicó su técnica en una revista especializada en tecnología de la madera. El artículo de 1992 siguió siendo la última palabra sobre la madera transparente durante más de una década, hasta que un investigador llamado Lars Berglund lo descubrió.

Berglund se inspiró en el descubrimiento de Fink, pero no por razones botánicas. El científico de materiales, que trabaja en el KTH Royal Institute of Technology de Suecia, se especializa en compuestos poliméricos y estaba interesado en crear una alternativa más robusta al plástico transparente. Y no era el único interesado en las virtudes de la madera. Al otro lado del océano, investigadores de la Universidad de Maryland estaban ocupados con un objetivo relacionado: aprovechar la fuerza de la madera para fines no tradicionales.

Ahora, tras años de experimentos, las investigaciones de estos grupos están empezando a dar frutos. La madera transparente pronto podría encontrar usos en pantallas súper resistentes para teléfonos inteligentes; en artefactos de iluminación suaves y brillantes; e incluso como características estructurales, como ventanas que cambian de color.

La madera se compone de innumerables pequeños canales verticales, como un apretado manojo de pajitas unidas con pegamento. Estas células en forma de tubo transportan agua y nutrientes por todo un árbol, y cuando se cosecha el árbol y la humedad se evapora, quedan bolsas de aire. 

Para crear madera transparente, los científicos primero necesitan modificar o eliminar el pegamento, llamado lignina, que mantiene unidos los haces de células y proporciona a los troncos y ramas la mayoría de sus tonos marrones terrosos. Después de blanquear el color de la lignina o eliminarlo de otro modo, queda un esqueleto de células huecas de color blanco lechoso.

Este esqueleto todavía es opaco, porque las paredes celulares desvían la luz en un grado diferente al que lo hace el aire en las bolsas de las células, un valor llamado índice de refracción. Llenar las bolsas de aire con una sustancia como resina epoxi que desvía la luz en un grado similar a las paredes celulares hace que la madera sea transparente.

El material con el que trabajaron los científicos es delgado, normalmente de menos de un milímetro a alrededor de un centímetro de espesor. Pero las células crean una estructura de panal resistente y las diminutas fibras de la madera son más fuertes que las mejores fibras de carbono. Y con la resina añadida, la madera transparente supera al plástico y al vidrio: en pruebas que midieron la facilidad con la que los materiales se fracturan o rompen bajo presión, la madera transparente resultó tres veces más resistente que los plásticos transparentes como el plexiglás y aproximadamente 10 veces más resistente que el vidrio.

Los sorprendentes resultados de las características de la madera transparente fueron presentados en la Revisión anual de la investigación de materiales de 2023.


La madera transparente suele conservar su veta, lo que aporta una estética natural. Esta pieza, realizada por científicos de la Universidad de Maryland College Park, parece vidrio esmerilado pero es un mejor aislante. Fuente: UNIVERSIDAD DE MARYLAND COLLEGE PARK


El proceso también funciona con madera más gruesa, pero la vista a través de esa sustancia es más borrosa porque dispersa más luz. En sus estudios originales de 2016, los investigadores descubrieron que las láminas milimétricas de los esqueletos de madera rellenos de resina dejan pasar entre el 80 y el 90 por ciento de la luz. A medida que el espesor se acerca al centímetro, la transmitancia de la luz disminuye: el grupo de Berglund informó que la madera de 3,7 milímetros de espesor transmitía sólo el 40 por ciento de la luz.

El perfil delgado y la resistencia del material significan que podría ser una excelente alternativa a los productos fabricados con cortes finos de plástico o vidrio que se rompen fácilmente, como las pantallas de visualización. La empresa francesa Woodoo, por ejemplo, utiliza un proceso similar de eliminación de lignina en sus pantallas de madera, pero deja un poco de lignina para crear una estética de color diferente. La compañía está adaptando sus pantallas digitales reciclables y sensibles al tacto para productos que incluyen tableros de instrumentos de automóviles y vallas publicitarias.

Pero la mayoría de las investigaciones se han centrado en la madera transparente como elemento arquitectónico, siendo las ventanas un uso particularmente prometedor. La madera transparente es un aislante mucho mejor que el vidrio, por lo que podría ayudar a los edificios a retener el calor o mantenerlo fuera. Los investigadores también han utilizado alcohol polivinílico, o PVA, un polímero utilizado en pegamentos y envases de alimentos, para infiltrarse en los esqueletos de madera, produciendo madera transparente que conduce el calor a una velocidad cinco veces menor que la del vidrio, informó el equipo en 2019 en Advanced Functional Materials.

Y los investigadores están ideando otros ajustes para aumentar la capacidad de la madera para retener o liberar calor, lo que sería útil para edificios energéticamente eficientes. Al incorporar polietilenglicol, por ejemplo, los científicos descubrieron que su madera podía almacenar calor cuando estaba caliente y liberar calor cuando se enfriaba, trabajo que publicaron en ACS Applied Materials and Interfaces, en 2019.

Se han explorado una variedad de especies de árboles para la ingeniería de madera transparente, incluidos el caucho, el abedul, el pino y el álamo.


Por lo tanto, las ventanas de madera transparentes serían más resistentes y ayudarían a controlar la temperatura mejor que el vidrio tradicional, pero la vista a través de ellas sería borrosa, más similar al vidrio esmerilado que a una ventana normal. Sin embargo, la neblina podría ser una ventaja si los usuarios quieren luz difusa: dado que la madera más gruesa es fuerte, podría ser una fuente de luz parcialmente portadora, actuando potencialmente como un techo que proporciona una luz ambiental suave a una habitación.

Los investigadores han seguido explorando formas de otorgar nuevas propiedades a la madera transparente. Hace unos cinco años, Berglund y sus colegas de KTH y el Instituto de Tecnología de Georgia descubrieron que podían imitar ventanas inteligentes, que pueden cambiar de transparentes a tintadas 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 capas de madera transparente recubiertas con un polímero de electrodo para conducir la electricidad. Esto creó un panel de madera que cambia de transparente a magenta cuando los usuarios pasan una pequeña corriente eléctrica a través de él.

Más recientemente, los investigadores han centrado su atención en mejorar la sostenibilidad de la producción de madera transparente. Por ejemplo, la resina utilizada para rellenar los andamios de madera suele ser un producto plástico derivado del petróleo, por lo que es mejor evitar su uso. Como sustituto, se ha desarrollado un polímero totalmente biológico, derivado de cáscaras de cítricos. El equipo investigador primero combinó ácido acrílico y limoneno, una sustancia química extraída de cáscaras de limón y naranja que se encuentran en los aceites esenciales. Luego impregnaban con él madera deslignificada. Incluso con un relleno afrutado, la madera transparente de origen biológico mantuvo sus propiedades mecánicas y ópticas, resistiendo alrededor de 30 megapascales de presión más que la madera normal y transmitiendo alrededor del 90 por ciento de la luz, informaron los investigadores en 2021 en Advanced Science.

Mientras tanto, se informó recientemente en Science Advances un método de blanqueo de lignina más ecológico que se apoya en peróxido de hidrógeno y radiación UV, reduciendo aún más las demandas energéticas de producción. El equipo investigador cepilló rodajas de madera de entre 0,5 y 3,5 milímetros de espesor con peróxido de hidrógeno y luego las dejó frente a lámparas ultravioleta para imitar los rayos del sol. Los rayos UV eliminaron las partes de lignina que contienen pigmentos, pero dejaron intactas las partes estructurales, lo que ayudó a conservar más resistencia en la madera.

Estos enfoques más respetuosos con el medio ambiente ayudan a limitar la cantidad de productos químicos tóxicos y polímeros de origen fósil utilizados en la producción, pero por ahora, el vidrio sigue teniendo menores impactos ambientales al final de su vida útil que la madera transparente, según un análisis de Dhar y colegas en Science of the Total Environment.

Los investigadores dicen que adoptar esquemas de producción más ecológicos y ampliar la fabricación son dos pasos necesarios para agregar madera transparente a los mercados principales, pero llevará tiempo. Sin embargo, confían en que se puede hacer y creen en su potencial como material sostenible.

Fuente: Knowable magazine

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