Прозрачная древесина – строительный материал будущего?

Когда Тимоте Буатузе изучал архитектуру в Японии, где здания должны выдерживать землетрясения, он понял, что следующей инновацией может стать материал, который люди использовали в течение тысячелетий. Этот материал – дерево.

«Во Франции мы строим больше из бетона и камня, чем из дерева», – рассказывает он,  – «когда я познакомился с японскими традициями в строительстве домов, я понял, как можно строить из дерева фантастические сооружения. Этот материал, который мы считаем старым и не инновационным, на самом деле очень умён. Я был вдохновлён».

В 2016 году Буатузе основал в Париже научную компанию в сфере изучения материалов под названием Woodoo, которая занимается модернизацией древесины с целью обретения ею новых свойств. Его цель – преобразовать строительную индустрию, например, заменив сталь на дерево. В отличие от других строительных материалов, таких как камень или бетон, которые содержат песок, древесина является возобновляемым ресурсом, что делает его привлекательным экологичным строительным материалом, сказал Буатузе.

Строительство с использованием древесного сырья может также решить проблему большого углеродного следа строительной отрасли, который ускоряет изменение климата. Согласно недавнему докладу Всемирного совета по экологическому строительству, 11% глобальных выбросов углерода происходят из строительных процессов и материалов, включая весь жизненный цикл здания. Поскольку углерод находится в составе дерева, в зданиях, построенных с использованием древесины, он будет сохраняться.

Древесина, в любом случае, может использоваться не только для опорных столбов. Избирательно извлекая древесный лигнин – вещество, из которого состоят его клеточные стенки, и заменяя его определенным типом полимера, он становится новым материалом. «Он [данный материал] является погодозащитным, более огнестойким, прочнее в соотношении 4:57, и он прозрачен», – говорит Буатузе.

Оптические свойства полимера соответствуют свойствам древесины, так что свет не преломляется, когда проходит через видоизменённую древесину. Он прекрасно проходит. Прозрачность материала открывает широкие возможности.

Усовершенствование

Пока что именно автомобильные компании проявили наибольший интерес к его видоизменённой древесине.

В настоящее время в рамках проекта под названием «Woodoo Augmented» компания Woodoo работает над интеграцией электроники в чувствительную к прикосновениям древесину, в сотрудничестве с отраслевыми партнерами. Деревянный материал, который пропускает свет, станет «тактильными панелями» в автомобилях, обещает Буатузе.

Woodoo видит в автомобильной индустрии ворота для вывода своей продукции на рынок, одновременно предлагая изделия из дерева, которые легче и производят меньше выбросов, чем традиционные панели.

Интеграция электроники в чувствительную к прикосновениям древесину может проложить путь к интерактивным деревянным панелям в автомобилях. Woodoo

Буатузе – не единственный среди вдохновлённых возможностями древесных материалов. Ларс Берглунд, профессор сферы изучения деревообработки и древесных композитов Королевского технологического института в Швеции, обнаружил, что существует множество вариантов использования прозрачной и прочной древесины.

«Сложно быть оригинальными, потому что люди сотни лет работали над деревообрабатывающими технологиями», – говорит Берглунд, возглавляющий проект «WoodNanoTech». В то время как другие исследования в основном пытались устранить его недостатки, такие как чувствительность к воде, он и его команда сосредоточились на других характеристиках древесины.

«Мы смогли освободиться от этого ограничения и взглянуть на новые возможности, которые еще не рассматривались», — говорит он. Основное внимание уделяется использованию прозрачного дерева для инженерных целей.

Профессор Берглунд использует древесину в качестве шаблона для нанотехнологий, как, например, Буатузе, извлекая лигнин, вводя оптически совместимый полимер и добавляя другие технологии для расширения его функциональных возможностей.

Больше всего профессора Берглунда волнует процесс встраивания квантовых точек в дерево для создания светодиодов, потому что онсчитает, что это позволит занять место на коммерческом рынке. «Идея состоит в том, что ваш потолок будет деревянной панелью, а деревянная панель будет иметь эту светодиодную функцию, поэтому внутреннее освещение сможет осуществляться прямо с потолка», – Берглунд.

По словам профессора Берглунда, в отличие от точечного источника света, свет прозрачного дерева рассеянный, что делает его более естественным и легким для глаз. Квантовые точки представляют собой совокупность полупроводниковых атомов шириной в несколько нанометров, которые флуоресцируют при воздействии ультрафиолетового излучения. Эти панели являются лишь одним из многих применений, которые «WoodNanoTech» разработал для своей прозрачной древесины.

Древесина также может служить основой для электрохромных окон. Эти «умные окна», окрашенные тонким слоем полимера, могут блокировать свет при прохождении через них электричества.

Энергия

Профессор Берглунд считает, что эта древесина нового поколения также найдёт своё место в энергетическом секторе. «Мы можем повысить эффективность [солнечных элементов], потому что рассеивание света [внутри дерева] означает более длинный путь света, поэтому вами будет поглощаться больше световой энергии», – сказал он.

Использование материала с изменением фазы вместо лигнина, в свою очередь, превращает древесину в устройство накопления энергии. В течение дня такая древесина может поглощать тепло, а ночью, когда температура падает, материал с фазовым переходом кристаллизуется, выделяя тепло.

«Мы начнем с дерева, сделаем его несущим, а затем интегрируем [нано]технологию с другими функциями».

Основной проблемой для новых технологий является масштабируемость, и древесина следующего поколения не является исключением. «Как вы соизмеряете масштаб производства в ходе осуществления лабораторной обработки, где у вас строгий контроль над вашей наноструктурой, в соотношении с тем, что можно сделать в промышленном масштабе?» –профессор Берглунд задаёт вопрос, добавляя, что они ищут коммерческих партнеров, – «Это может быть сложно для академических исследовательских проектов».

До сих пор команда профессора Берглунда использовала полимер на нефтяной основе для замены лигнина в древесине, но они ищут более зеленую альтернативу.

Для Буатузе тот факт, что их Woodoo уже их имеет, позволяет увеличивать производство. В настоящее время они производят 5 000 квадратных метров древесины в год, что составляет около трех четвертей футбольного поля, и теперь планируют добывать 300 000 квадратных метров в год.

К счастью, древесину, пригодную для усовершенствования, легко получить.

Буатузе говорит, что существует много мест, где можно её приобрести. Вуду, среди прочего, использует бук, сосну и тополь, в то время как исследовательская группа профессора Берглунда модифицирует бальзу и переключает свое внимание на березу.

Следующий шаг для профессора Берглунда – сделать его модифицированное дерево более экологически чистым. Один из способов – сохранить как можно больше лигнина, а не выбрасывать его. «Если вы удалите его, вы добавите химический этап, который будет стоить энергии, потребует растворителей», –  говорит он, – «Использование большего количества лигнина также означает сохранение большего количества углерода в зданиях».

Сейчас его команда сосредоточена на использовании более экологичного полимера в материалах. «До сих пор мы использовали полимеры на нефтяной основе для пропитки древесины, но сейчас мы очень интенсивно работаем над использованием полимера на биологической основе. Это обеспечит позиции следующего поколения древесины как строительного материала будущего».