Los compuestos de madera transparentes son nuevos materiales de madera que tienen hasta un 90% de transparencia . Algunos tienen mejores propiedades mecánicas que la propia madera . Se fabricaron por primera vez en 1992. Estos materiales son significativamente más biodegradables que el vidrio y los plásticos . [1] [2] [3] La madera transparente también es irrompible, lo que la hace adecuada para aplicaciones como las pantallas de teléfonos móviles. [4]
Un grupo de investigación dirigido por el profesor Lars Berglund [6] de la Universidad KTH de Suecia junto con un grupo de investigación de la Universidad de Maryland dirigido por el profesor Liangbing Hu [3] han desarrollado un método para eliminar el color y algunos productos químicos de pequeños bloques de madera , seguido de la adición de polímeros , como poli(metacrilato de metilo) (PMMA) y epoxi , a nivel celular, volviéndolos así transparentes.
Tan pronto como se lanzó entre 2015 y 2016, la madera transparente tuvo una gran reacción de la prensa, con artículos en ScienceDaily , [7] Wired , [8] The Wall Street Journal , [9] y The New York Times . [1]
En realidad, esos grupos de investigación redescubrieron un trabajo de Siegfried Fink, un investigador alemán, de 1992: con un proceso muy similar al de Berglund y Hu, el investigador alemán volvió transparente la madera para revelar cavidades específicas de la estructura de la madera con fines analíticos. [10]
En 2021, los investigadores informaron sobre una forma de fabricar madera transparente más liviana y resistente que el vidrio que requiere cantidades sustancialmente menores de productos químicos y energía que los métodos utilizados anteriormente. Se afirma que la madera fina producida con "cepillado químico asistido por energía solar" es más liviana y aproximadamente 50 veces más resistente que la madera tratada con procesos anteriores. [11] [12] [13]
En su estado natural, la madera no es un material transparente debido a su dispersión y absorción de la luz. El color tostado de la madera se debe a su composición química de polímeros de celulosa , hemicelulosa y lignina . La lignina de la madera es la principal responsable del color distintivo de la madera. En consecuencia, la cantidad de lignina determina los niveles de visibilidad en la madera, alrededor del 80-95%. [14] Para que la madera sea un material visible y transparente, es necesario reducir tanto la absorción como la dispersión en su producción. El proceso de fabricación de madera transparente se basa en la eliminación de toda la lignina, lo que se denomina proceso de deslignificación.
La producción de madera transparente a partir del proceso de deslignificación varía de un estudio a otro. Sin embargo, los conceptos básicos detrás de él son los siguientes: una muestra de madera se empapa en soluciones calentadas (80 °C–100 °C) que contienen cloruro de sodio , hipoclorito de sodio o hidróxido / sulfito de sodio durante aproximadamente 3 a 12 horas, seguido de inmersión en peróxido de hidrógeno hirviendo . [15] Luego, la lignina se separa de la estructura de celulosa y hemicelulosa, volviendo blanca la madera y permitiendo que comience la penetración de la resina. Finalmente, la muestra se sumerge en una resina coincidente, generalmente PMMA, a altas temperaturas (85 °C) y vacío durante 12 horas. [15] Este proceso llena el espacio previamente ocupado por la lignina y la estructura celular abierta de la madera, lo que da como resultado el compuesto de madera transparente final.
Si bien el proceso de deslignificación es un método de producción exitoso, se limita a su producción experimental y de laboratorio de un material pequeño y de bajo espesor que no puede cumplir con sus requisitos de aplicación práctica. [16] Sin embargo, en el Centro de Co-Innovación de Jiangsu para el Procesamiento y Utilización Eficientes de Recursos Forestales en 2018, Xuan Wang y sus colegas desarrollaron un nuevo método de producción de infiltración de una solución de metacrilato de metilo (MMA) prepolimerizado en fibras de madera deslignificadas. Al utilizar esta nueva técnica, se puede fabricar fácilmente madera transparente de gran tamaño con cualquier espesor o cualquier medida. [16] Sin embargo, a pesar de este éxito en la fabricación, aún existen desafíos con respecto a la estabilidad mecánica y el rendimiento óptico ajustable. [14]
La madera es un material de crecimiento natural que posee excelentes propiedades mecánicas, incluyendo alta resistencia, buena durabilidad, alto contenido de humedad y alta gravedad específica. [15] La madera se puede clasificar en dos tipos de madera, madera blanda y madera dura. Si bien cada tipo es diferente (por ejemplo, las células longitudinales en la madera blanda son más cortas en comparación con la madera dura), ambos tipos tienen una estructura jerárquica similar, lo que significa que la orientación de las células es idéntica en la madera. [15] Esta estructura anisotrópica única, las propiedades con valores distintivos cuando se miden en varias direcciones, le permite bombear iones y agua para la fotosíntesis en la madera. [15] De manera similar, en los compuestos de madera transparente, al eliminar la lignina y mantener los tubos de fibra de celulosa, le permite convertirse en una madera transparente que puede empaparse en un epoxi similar al pegamento que la convierte en un material robusto y transparente. [17] Una excelente materia prima con alta transmitancia y propiedades mecánicas mejoradas.
Los investigadores han probado con éxito una alternativa ecológica: el acrilato de limoneno, un monómero hecho a partir de limoneno , en un acrilato . [18] El limoneno es un terpeno cíclico común que se puede extraer de los desechos industriales, a través de la isomerización de α-pineno (de la madera) o del aceite de cáscara de cítricos. Los polímeros de base biológica pueden ofrecer ventajas en comparación con los polímeros convencionales no renovables de recursos fósiles, y aún así conservar un alto rendimiento mecánico y es ligero, derivado de su estructura celulósica porosa y anisotrópica; y es de gran interés para las nanotecnologías sostenibles a gran escala. La succinilación del sustrato de madera deslignificada utilizando anhídrido succínico da como resultado un biocompuesto nanoestructurado y mecánicamente fuerte. La matriz polimérica suele representar aproximadamente el 70 % en volumen, lo que da como resultado biocompuestos nanoestructurados que combinan una excelente transmitancia óptica del 90 % a 1,2 mm de espesor y una turbidez notablemente baja del 30 %, con un alto rendimiento mecánico (resistencia 174 MPa, módulo de Young 17 GPa). [19]
La madera transparente obtiene sus propiedades mecánicas y su rendimiento principalmente de su contenido de fibra de celulosa y de la orientación geométrica de la estructura de las celdas del tubo de fibra (radial y tangencial), lo que proporciona la base estructural para el diseño de aplicaciones de materiales avanzados. [15]
Un aspecto de la propiedad mecánica de la madera transparente es la resistencia del material. Según Zhu y sus colegas, la madera transparente en la dirección longitudinal tiene un módulo elástico de 2,37 GPa y una resistencia de 45,38 MPa (ambos inferiores a los del PMMA puro [20] ) y el doble de los perpendiculares a la dirección longitudinal, 1,22 GPa y 23,38 MPa respectivamente. [3] Concluyen que las propiedades longitudinales a transversales disminuyeron en la madera transparente, lo que esperaban ya que la presencia de la resina polimérica suprime el espacio de la cavidad. [3] Además, la naturaleza plástica del compuesto de madera transparente proporciona ventajas en comparación con otros materiales frágiles como el vidrio, lo que significa que no se rompe con el impacto. [17]
Las fibras de celulosa de madera transparente, compactas y alineadas perpendicularmente, funcionan como guías de ondas de banda ancha con altas pérdidas de dispersión de transmisión de luz. Esta capacidad única de gestión de la luz da como resultado un efecto de propagación de la luz. [21] Al medir sus propiedades ópticas con una esfera integrada, Li y sus colegas descubrieron que la madera transparente exhibe una alta transmitancia del 90% (menor que la del PMMA puro) y una alta neblina óptica del 95%. [21] Como resultado, la madera transparente como material energéticamente eficiente podría usarse para disminuir el uso de energía de iluminación diurna al guiar eficientemente la luz solar hacia la casa mientras proporciona una iluminación uniforme y constante durante todo el día. [21]
De manera similar, la conductividad térmica de la madera transparente se atribuye a la alineación de las fibras de celulosa de la madera, que se ha conservado después de la eliminación de la lignina y la infiltración de polímeros. La madera transparente tiene una conductividad térmica de 0,32 W⋅m −1 ⋅K −1 en la dirección axial y 0,15 W⋅m −1 ⋅K −1 en la dirección radial respectivamente. [21] Con base en el estudio realizado por Céline Montanari del KTH Royal Institute of Technology en Estocolmo, la conductividad térmica de la madera transparente, que se transforma de semitransparente a transparente cuando se calienta, podría usarse para hacer que los edificios sean más eficientes energéticamente al capturar la energía del sol durante el día y liberarla más tarde en la noche en el interior. [22]
Aunque el desarrollo de compuestos de madera transparentes todavía se encuentra en una escala de laboratorio y a nivel de prototipo, su potencial para la eficiencia energética y el ahorro operativo en la industria de la construcción es muy prometedor. Una ventaja esencial de la madera transparente es su combinación de rendimiento estructural y funcional para estructuras portantes que combinan funcionalidades ópticas, de protección térmica o magnéticas. [23] La madera transparente también se investiga para su posible uso en superficies sensibles al tacto. [13] [24]
Tal es el caso de las aplicaciones de construcción donde la luz artificial puede ser reemplazada por la luz solar a través de un diseño de transmisión de luz. Con base en la investigación y simulación realizada por Joseph Arehart en la Universidad de Colorado Boulder, la madera transparente como reemplazo del sistema de acristalamiento de vidrio podría reducir el consumo de energía para acondicionamiento del espacio entre un 24,6% y un 33,3% en espacios de oficina medianos (zona climática 3C, San Francisco, CA) y grandes (zona climática 4C, Seattle, Washington) respectivamente. [25] Estos son conocimientos relevantes sobre la funcionalidad potencial de la madera transparente porque muestra una conductividad térmica menor y una mejor resistencia al impacto en comparación con los sistemas de acristalamiento de vidrio populares.
Otra dirección para las aplicaciones de madera transparente es como una alta transmitancia óptica para dispositivos optoelectrónicos como sustratos en células solares fotovoltaicas. Li y sus colegas en el KTH Royal Institute of Technology estudiaron la alta transmitancia óptica que hace que la madera transparente sea un candidato para el sustrato en células solares de perovskita. Concluyeron que la madera transparente tiene una alta transmitancia óptica del 86% y estabilidad a largo plazo con una tenacidad de fractura de 3,2 MPa⋅m 1/2 en comparación con la tenacidad de fractura del sustrato de vidrio de 0,7–0,85 MPa⋅m 1/2 , que cumple con los requisitos del sustrato para células solares. [26] Estos son datos relevantes para la posible aplicación de la madera transparente porque es una solución adecuada y sostenible para el sustrato para el ensamblaje de células solares con potencial en aplicaciones de construcción energéticamente eficientes, así como reemplazos para el vidrio y reducción de la huella de carbono de los dispositivos. [26]
La madera transparente podría transformar las ciencias de los materiales y las industrias de la construcción al permitir nuevas aplicaciones, como las ventanas portantes. Estos componentes también podrían generar mejoras en el ahorro y la eficiencia energética en comparación con el vidrio u otros materiales tradicionales. Se necesita mucho trabajo e investigación para comprender mejor la interacción entre la luz y la estructura de la madera, para ajustar las propiedades ópticas y mecánicas y para aprovechar las aplicaciones avanzadas de los compuestos de madera transparente.
