Compuestos de madera transparentes

Los compuestos de madera transparentes son materiales de madera novedosos que tienen hasta un 90% de transparencia y algunas propiedades mecánicas más altas que la madera misma, fabricados por primera vez en 1992.

Cuando estos materiales estén disponibles comercialmente, se espera un beneficio significativo debido a sus propiedades biodegradables inherentes ; [ cita requerida ] sin embargo, esto tiene la desventaja axiomática de ser problemático para la construcción a largo plazo. Estos materiales son significativamente más biodegradables que el vidrio y los plásticos . [1] [2] [3] La madera transparente también es irrompible. Por otro lado, las preocupaciones pueden ser relevantes debido al uso de plásticos no biodegradables para fines duraderos, como en edificios.

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Un video de madera transparente producido con un método de bricolaje [4]

Un grupo de investigación dirigido por el profesor Lars Berglund [5] de la Universidad sueca KTH 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 añadiendo polímeros , como poli (metacrilato de metilo) (PMMA) y epoxi , a nivel celular , volviéndolos transparentes.

Tan pronto como se publicó entre 2015 y 2016, la madera transparente tuvo una gran reacción en la prensa, con artículos en ScienceDaily , [6] Wired , [7] The Wall Street Journal , [8] 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 convirtió la madera en transparente para revelar cavidades específicas de la estructura de la madera con fines analíticos. [9]

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 antes. Se afirma que la madera delgada producida con "cepillado químico asistido por energía solar" es aproximadamente 50 veces más fuerte y más liviana que la madera tratada con procesos anteriores. [10] [11] [12]

En su estado natural, la madera no es un material transparente debido a su dispersión y absorción de luz. El color bronceado de la madera se debe a su composición química polimérica 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%. [13] 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 la madera transparente se basa en eliminar toda la lignina denominado proceso de deslignificación.

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 como sigue: una muestra de madera se empapó en calentó (80 ° C-100 ° C) soluciones que contienen cloruro de sodio , hipoclorito de sodio , o hidróxido de sodio / sulfito durante aproximadamente 3-12 horas seguido por la inmersión en ebullición peróxido de hidrógeno . [14] Luego, la lignina se separa de la estructura de celulosa y hemicelulosa, volviendo la madera blanca y permitiendo que comience la penetración de la resina. Finalmente, la muestra se sumerge en una resina correspondiente, generalmente PMMA, a altas temperaturas (85 ° C) y al vacío durante 12 horas. [14] Este proceso llena el espacio previamente ocupado por la lignina y la estructura celular de madera abierta dando como resultado el compuesto de madera transparente final.

Si bien el proceso de deslignificación es un método de producción exitoso, se limita a su laboratorio y la producción experimental de un material pequeño y de bajo espesor que no puede cumplir con sus requisitos de aplicación práctica. [15] Sin embargo, en el Centro de coinnovación de Jiangsu para el procesamiento y la utilización eficientes de los recursos forestales en 2018, Xuan Wang y sus colegas desarrollaron un nuevo método de producción para infiltrar una solución de metacrilato de metilo (MMA) prepolimerizado en fibras de madera deslignificadas. Al utilizar esta estrategia innovadora, se puede fabricar fácilmente madera transparente de gran tamaño con cualquier grosor o cualquier medida. [15] Sin embargo, a pesar de este éxito en la fabricación, todavía existen desafíos con respecto a la estabilidad mecánica y el rendimiento óptico ajustable. [13]

La madera es un material de crecimiento natural que posee excelentes propiedades mecánicas, que incluyen alta resistencia, buena durabilidad, alto contenido de humedad y alta gravedad específica. [14] La madera se puede clasificar en dos tipos de madera, madera blanda y madera dura. Si bien cada tipo es diferente, por ejemplo, las celdas 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 celdas es idéntica en la madera. [14] Esta estructura anisotrópica única, cuyas propiedades tienen valores distintivos cuando se miden en varias direcciones, le permite bombear iones y agua para la fotosíntesis en la madera. [14] Del mismo modo, en los compuestos de madera transparentes, eliminar la lignina y mantener los tubos de fibra de celulosa permite que se convierta en una madera clara que puede empaparse en un epoxi similar a un pegamento que lo convierte en un material robusto y transparente. [16] Una excelente materia prima con alta transmitancia y propiedades mecánicas mejoradas.

Propiedades mecánicas

La madera transparente deriva sus propiedades mecánicas y su rendimiento principalmente de su contenido de fibra de celulosa y la orientación geométrica de la estructura de las celdas del tubo de fibra (radial y tangencial), proporcionando la base estructural para el diseño de aplicaciones de materiales avanzados. [14]

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 de elasticidad de 2,37 GPa y una resistencia de 45,38 MPa (ambas más bajas que para el PMMA puro [17] ) y dos veces más altas que las perpendiculares a la dirección longitudinal. 1,22 GPa y 23,38 MPa respetablemente. [3] Concluyen que las propiedades longitudinales a transversales disminuyeron para 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 ofrece ventajas en comparación con otros materiales frágiles como el vidrio, lo que significa que no se rompe con el impacto. [dieciséis]

Transmitancia óptica y conductividad térmica.

La madera transparente, las fibras de celulosa densamente empaquetadas y alineadas perpendicularmente funcionan como guías de ondas de banda ancha con altas pérdidas por dispersión de transmisión de la luz. Esta capacidad única de gestión de la luz da como resultado un efecto de propagación de la luz. [18] Al medir sus propiedades ópticas con una esfera integrada, Li y sus colegas encontraron que la madera transparente exhibe una alta transmitancia del 90% (menor que para el PMMA puro) y una alta neblina óptica del 95%. [18] 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 del sol hacia la casa mientras proporciona una iluminación uniforme y constante durante todo el día. [18]

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 del polímero. La madera transparente tiene una conductividad térmica de 0,32 W⋅m −1 ⋅K −1 en la dirección axial y de 0,15 W⋅m −1 ⋅K −1 en la dirección radial de forma respetable. [18] Basado 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 soltándola más tarde en la noche hacia el interior. [19]

Aunque el desarrollo de compuestos de madera transparentes todavía se encuentra a escala de laboratorio y a nivel de prototipo, su potencial de eficiencia energética y 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. [20] La madera transparente también se investiga para su uso potencial en superficies sensibles al tacto. [12] [21]

Sistema de acristalamiento

Tal es el caso en aplicaciones de construcción donde la luz artificial puede ser reemplazada por luz solar mediante un diseño de transmitancia de luz. Según 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 de acondicionamiento del espacio en un 24,6% a un 33,3% en medio (zona climática 3C, San Francisco, CA) y grandes espacios de oficinas (zona climática 4C, Seattle, Washington) respetablemente. [22] Estos son conocimientos relevantes sobre la funcionalidad potencial de la madera transparente porque muestra una conductividad térmica más baja y una mejor resistencia al impacto en comparación con los sistemas de acristalamiento de vidrio populares.  

Células solares

Otra dirección para las aplicaciones de madera transparente es una alta transmitancia óptica para dispositivos optoelectrónicos como sustratos en células solares fotovoltaicas. Li y sus colegas del KTH Royal Institute of Technology estudiaron la alta transmitancia óptica que hace que la madera transparente sea un candidato para sustrato en las células solares de perovskita. Llegaron a la conclusión de que la madera transparente tiene una alta transmitancia óptica del 86% y una estabilidad a largo plazo con fractura de tenacidad de 3,2 MPa⋅m 1/2 en  comparación con la fractura de sustrato de vidrio de tenacidad de 0,7 a 0,85 MPa⋅m 1/2 , que cumple con los requisitos del sustrato para células solares. [23] Ésta es información relevante para la posible aplicación de la madera transparente porque es una solución adecuada y sostenible al sustrato para el ensamblaje de células solares con potencial en aplicaciones de construcción energéticamente eficientes, así como reemplazos de vidrio y reducción de la huella de carbono de los dispositivos. . [23]

La madera transparente podría transformar las ciencias de los materiales y las industrias de la construcción al permitir nuevas aplicaciones, como ventanas portantes. Estos componentes también podrían generar mejoras en el ahorro de energía y la eficiencia frente al 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, ajustar las propiedades ópticas y mecánicas y aprovechar las aplicaciones avanzadas de compuestos de madera transparente.

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