Солнечный свет помог в создании прозрачной древесины

Ученые сделали производство прозрачной древесины экологичнее, эффективнее и проще. Изменение технологии обесцвечивания позволило уменьшить расход и выброс вредных химикатов, а полученные образцы оказались прочнее изготовленных по стандартной технологии. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Популярный процесс обесцвечивания древесины связан с удалением лигнина из нее и называется делигнификацией. Лигнин заполняет все пространство между целлюлозным каркасом древесины и отвечает за ее цвет. Образованный после удаления лигнина материал оказывается хрупким и для того, чтобы получить гибкий и прочный образец, его можно, к примеру, залить эпоксидной смолой. Другой вариант — пропитать раствором квантовых точек, высушить, спрессовать и покрыть защитным слоем. Такую последовательность действий предложили новозеландские и швейцарские ученые для получения гибкого светопроводящего материала.

Важные недостатки делигнификации — большой выброс вредных химикатов и низкая прочность полученных образцов. Из-за того, что такой метод удаления лигнина требует погружения образца в растворитель, производить образцы больших размеров оказывается сложно. Лянбин Ху (Liangbing Hu) с коллегами из университета Мэрилэнда разработали способ производства прозрачной древесины, который требует значительно меньшего расхода химикатов и позволяет получать прочные и крупные изделия. Они решили не удалять лигнин полностью, а сфокусироваться на удалении хромофоров из лигнина. Выяснилось, что для этого достаточно покрыть кусок древесины раствором перекиси водорода и облучить ультрафиолетом. Полученная структура оказывается достаточно прочной, а добавление к ней эпоксидной смолы позволяет получить материал высокого качества.

Основой для тестирования нового метода стала легкая и прочная древесина бальзового дерева (Ochroma pyramidal). Авторы вырезали кусочки разной толщины — от 0,6 до 3,3 миллиметров, с помощью кисти наносили на них раствор перекиси водорода (H₂O₂) и облучали УФ излучением до тех пор, пока образец не менял цвет с коричневого на белый. После отмывки в этаноле в течение пяти часов образец пропитывали эпоксидной смолой и высушивали при комнатной температуре. Для упрощения этапа с облучением можно просто помещать образцы на улице под солнцем, излучение которого тоже содержит ультрафиолет. Исследователи протестировали такой способ на больших образцах и выяснили, что для их обесцвечивания достаточного одного часа.

Кроме визуального контроля на каждом этапе приготовления, ученые снимали спектры поглощения древесины. Они выяснили, что после облучения ультрафиолетом образец пропускает 88 процентов излучения в видимом диапазоне. Кроме того, изменение интенсивностей пиков в спектре говорит о частичном растворении или удалении гемицеллюлозы. При этом процентное содержание лигнина упало с 23,5 до 19,9 процентов, то есть большая часть структуры осталась без изменения. Благодаря этому промежуточные образцы оказываются достаточно прочными для изготовления длиной один метр. Для сравнения — метод полного удаления лигнина использовали для изготовления образцов размером единицы сантиметров.

Прозрачная древесина, изготовленная новым способом показала не только высокую прочность, но и пропускающую способность в разных направлениях. В зависимости от того, как вырезать кусочек древесины для эксперимента, ее каркас может быть ориентирован разным способом. Оказалось, что разработанный метод позволяет получать образцы, пропускание которых не зависит от ориентации.

Отличные оптические и механические свойства полученной древесины в совокупности с простотой, экологичностью и низкой стоимостью процесса открывает пути по развитию крупномасштабного производства. Возможность выборочно обрабатывать определенные участки позволит применять такую древесину в дизайне.

Помимо удаления лигнина древесины, ученые интересуются и другими способами ее модификации и пересборки. Например, немецкие и швейцарские ученые разработали материал для 3D-печати из целлюлозы и лигнина. А турецкие химики обнаружили полезное свойство лигнина — оказалось, что он защищает древесину от статического электричества.

Оксана Борзенкова