Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in Bekend tijdschrift.
Dertig jaar geleden had een plantkundige in Duitsland een simpele wens: de innerlijke werking van houtachtige planten zien zonder ze te ontleden. Door de pigmenten in plantencellen weg te bleken, slaagde Siegfried Fink erin transparant hout creëren, en hij publiceerde zijn techniek in een niche-tijdschrift voor houttechnologie. Het artikel uit 1992 bleef ruim tien jaar het laatste woord over doorzichtig hout, totdat een onderzoeker genaamd Lars Berglund erover struikelde.
Berglund werd geïnspireerd door de ontdekking van Fink, maar niet om botanische redenen. De materiaalwetenschapper, werkzaam bij het KTH Royal Institute of Expertise in Zweden, is gespecialiseerd in polymeercomposieten en was geïnteresseerd in het creëren van een robuuster alternatief voor transparant plastic. En hij was niet de enige die geïnteresseerd was in de deugden van hout. Aan de andere kant van de oceaan waren onderzoekers van de Universiteit van Maryland bezig met een gerelateerd doel: het benutten van de kracht van hout voor niet-traditionele doeleinden.
Nu, na jaren van experimenteren, begint het onderzoek van deze groepen vruchten af te werpen. Transparant hout zou binnenkort gebruikt kunnen worden in supersterke schermen voor smartphones; in zachte, gloeiende lampen; en zelfs als structurele kenmerken, zoals kleurveranderende ramen.
“Ik geloof echt dat dit materiaal een veelbelovende toekomst heeft”, zegt Qiliang Fu, een houtnanotechnoloog aan de Nanjing Forestry College in China, die als afgestudeerde pupil in het laboratorium van Berglund werkte.
Hout bestaat gedeeltelijk uit talloze kleine verticale kanaaltjes, als een strakke bundel rietjes die met lijm aan elkaar zijn gebonden. Deze buisvormige cellen transporteren water en voedingsstoffen door het hele lichaam een increase, en als de increase wordt geoogst en het vocht verdampt, blijven er luchtbellen achter. Om doorzichtig hout te maken, moeten wetenschappers eerst de lijm, lignine genaamd, aanpassen of verwijderen die de celbundels bij elkaar houdt en stammen en takken veel van hun aardse bruine tinten geeft. Nadat de kleur van lignine is weggebleekt of anderszins is verwijderd, blijft er een melkwit skelet van holle cellen achter.
Dit skelet is nog steeds ondoorzichtig, omdat de celwanden het licht in een andere mate afbuigen dan de lucht in de celzakken, een waarde die de brekingsindex wordt genoemd. Door de luchtzakken te vullen met een stof, zoals epoxyhars, die het licht in dezelfde mate buigt als de celwanden, wordt het hout transparant.
Het materiaal waarmee de wetenschappers werkten is dun, meestal minder dan een millimeter tot ongeveer een centimeter dik. Maar de cellen creëren een stevige honingraatstructuur en de kleine houtvezels zijn sterker dan de beste koolstofvezels, zegt materiaalwetenschapper Liangbing Hu, die leiding geeft aan een onderzoeksgroep die aan transparant hout werkt aan de Universiteit van Maryland in School Park. En met de toegevoegde hars presteert transparant hout beter dan plastic en glas: in assessments die meten hoe gemakkelijk materialen breken of breken onder druk, was transparant hout ongeveer drie keer sterker dan transparante kunststoffen zoals plexiglas en ongeveer tien keer sterker dan glas, aldus Berglund.
“De resultaten zijn verbluffend: een stuk hout kan zo sterk zijn als glas”, zegt Hu, die de nadruk legde op de kenmerken van bewerkt hout in de 2023 Jaaroverzicht van materiaalonderzoek.
Het proces werkt ook met dikker hout, maar het zicht door die stof is waziger omdat het meer licht verstrooit. In hun oorspronkelijke onderzoek uit 2016 ontdekten Hu en Berglund allebei dat grofweg millimeterdunne platen van de met hars gevulde houtskeletten 80 tot 90 procent van het licht doorlaten. Naarmate de dikte dichter bij een centimeter komt, neemt de lichttransmissie af: de groep van Berglund rapporteerde dat 3,7 millimeter dik hout – iets meer dan twee cent dik – slechts 40 procent van het licht doorliet.
Door het slanke profiel en de sterkte van het materiaal zou het een alternatief kunnen bieden voor producten gemaakt van dunne, gemakkelijk te verbrijzelen stukken plastic of glas, zoals beeldschermen. Het Franse bedrijf Woodoo gebruikt bijvoorbeeld een soortgelijk lignineverwijderingsproces in zijn houtschermen. Het bedrijf stemt zijn recyclebare, aanraakgevoelige digitale shows af op producten als autodashboards en schermwanden met advertenties.
Maar het meeste onderzoek concentreerde zich op transparant hout als architectonisch kenmerk, waarbij ramen een bijzonder veelbelovende toepassing zijn, zegt Prodyut Dhar, een biochemisch ingenieur aan het Indian Institute of Expertise Varanasi. Transparant hout isoleert beter dan glas, dus het kan gebouwen helpen de warmte huge te houden of buiten te houden. Hu en collega’s hebben ook polyvinylalcohol, of PVA, een polymeer dat voorkomt in lijm en voedselverpakkingen, gebruikt om de houtskeletten te infiltreren, waardoor transparant hout ontstaat dat warmte geleidt met een snelheid van ongeveer vijf keer lager dan die van glasmeldde het workforce in 2019 in Geavanceerde functionele materialen.
En onderzoekers komen met andere aanpassingen om het vermogen van hout om warmte huge te houden of af te geven te vergroten, wat nuttig zou zijn voor energie-efficiënte gebouwen. Céline Montanari, een materiaalwetenschapper bij de RISE Analysis Institutes in Zweden, en collega’s experimenteerden met faseveranderingsmaterialen, die overschakelen van opslag naar warmte vrijgeven wanneer ze veranderen van huge naar vloeibaar, of omgekeerd. Door bijvoorbeeld polyethyleenglycol toe te voegen, ontdekten de wetenschappers dat hun hout warmte kon opslaan als het heat was en warmte kon afgeven als het afkoelde, werk dat ze publiceerden in ACS toegepaste materialen en interfaces in 2019.
Transparante houten ramen zouden daarom sterker kunnen zijn en beter kunnen helpen bij de temperatuurbeheersing dan traditioneel glas, maar het zicht erdoorheen zou wazig zijn en meer op matglas lijken dan op een gewoon raam. De wazigheid zou echter een voordeel kunnen zijn als gebruikers diffuus licht willen: omdat dikker hout sterker is, zou het een gedeeltelijk dragende lichtbron kunnen zijn, zegt Berglund, die mogelijk kan fungeren als een plafond dat zacht, omgevingslicht in een kamer brengt.
Hu en Berglund zijn blijven spelen met manieren om nieuwe eigenschappen aan transparant hout te geven. Ongeveer vijf jaar geleden ontdekten Berglund en collega’s van KTH en Georgia Institute of Expertise dat ze konden nabootsen slimme ramen, die kan overschakelen van transparant naar getint om de zichtbaarheid of de zonnestralen te blokkeren. De onderzoekers plaatsten een elektrochroom polymeer – een stof die van kleur kan veranderen door elektriciteit – tussen lagen transparant hout bedekt met een elektrodepolymeer om elektriciteit te geleiden. Dit gecreëerd een ruit van hout die verandert van helder naar magenta wanneer gebruikers er een kleine elektrische stroom doorheen laten lopen.
Meer recentelijk hebben de twee groepen hun aandacht verlegd naar het verbeteren van de duurzaamheid van de productie van transparant hout. De hars die wordt gebruikt om de houten steigers te vullen, is bijvoorbeeld meestal een uit aardolie afkomstig plastic product, dus het is beter om het niet te gebruiken, zegt Montanari. Ter vervanging heeft zij samen met haar collega’s een volledig biogebaseerd polymeer uitgevonden, afkomstig van citrusschillen. Het workforce combineerde eerst acrylzuur en limoneen, een chemische stof gewonnen uit citroen- en sinaasappelschillen die voorkomt in essentiële oliën. Vervolgens impregneerden ze er verwaardigd hout mee. Zelfs met een fruitige vulling behield het biogebaseerde transparante hout zijn mechanische en optische eigenschappen, kan het meer druk weerstaan dan gewoon hout en kan het ongeveer 90 procent van het licht doorlaten, rapporteerden de onderzoekers in 2021 in Geavanceerde wetenschap.
Hu’s laboratorium heeft ondertussen onlangs gerapporteerd Wetenschappelijke vooruitgang A groenere lignine-bleekmethode dat leunt op waterstofperoxide en UV-straling, waardoor de energiebehoefte van de productie verder wordt verlaagd. Het workforce borstelde stukken hout van ongeveer 0,5 tot 3,5 millimeter dik met waterstofperoxide en liet ze vervolgens voor UV-lampen liggen om de zonnestralen na te bootsen. De UV bleek de pigmenthoudende delen van lignine weg, maar liet de structurele delen intact, waardoor er meer sterkte in het hout behouden bleef.
Deze milieuvriendelijkere benaderingen helpen de hoeveelheid giftige chemicaliën en polymeren op fossiele foundation die bij de productie worden gebruikt, te beperken, maar voorlopig heeft glas nog steeds lagere milieueffecten aan het einde van de levensduur dan transparant hout, volgens een analyse van Dhar en collega’s in Wetenschap van de totale omgeving. Het omarmen van groenere productiesystemen en het opschalen van de productie zijn twee stappen die nodig zijn om transparant hout toe te voegen aan de reguliere markten, zeggen onderzoekers, maar het zal tijd vergen. Ze hebben er echter vertrouwen in dat dit mogelijk is en geloven in de potentie ervan als duurzaam materiaal.
“Als je duurzaamheid probeert te bereiken, wil je niet alleen de eigenschappen van materialen op fossiele foundation evenaren”, zegt Montanari. “Als wetenschapper wil ik dit overtreffen.”