Was! Kann Holz so transparent wie Glas werden?

Woran denken Sie, wenn Sie an transparente Dinge denken? Ist es Glas, Plastik, Diamanten oder Wasser?

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Denken Sie bei Holz an braunes und gelbes Holz mit strukturierter Struktur?

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Nun hat ein Wissenschaftlerteam ein transparentes Holz erfunden, das fast so durchsichtig wie Glas aussieht.

Transparentes Holz Quelle: Referenz [2]

Wie entsteht transparentes Holz? Finden wir es heute heraus!

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Was ist im Holz?

Lassen Sie uns zunächst die Struktur von Holz verstehen.

Holz ist einer der am häufigsten vorkommenden erneuerbaren Rohstoffe der Erde und enthält hauptsächlich Zellulose (40–50 %), Hemizellulose (20–30 %) und Lignin (20–30 %).

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Zellulose ist der Festigkeitsträger des Holzes und weist eine hohe Ordnung entlang der Wuchsrichtung des Baumes auf. Hemicellulose und Lignin sind als kleine Moleküle und Klebstoffe durch Wasserstoffbrücken und kovalente Bindungen mit Cellulose verwoben und bilden so ein tragfähiges Netzwerk, das eine natürliche Abbaubarriere zum Schutz der Pflanzenzellen bildet. Lignin ist ein komplexes organisches Polymer, das eine wichtige Rolle bei der Bildung von Zellwänden spielt, insbesondere in Holz und Rinde, wo es ihnen Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Fäulnis verleiht.

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Wie macht man Holz transparent?

Tatsächlich liegt der Schlüssel zur Transparenz von Holz darin, die Chromophore im Lignin zu entfernen und sein aromatisches Skelett zu erhalten . Der konkrete Vorgang lässt sich einfach wie folgt beschreiben: Das Holz mit Wasserstoffperoxid bestreichen, der Sonne aussetzen, dann in Alkohol einweichen und schließlich mit einem transparenten Material, Epoxidharz, füllen. Nach dem Erstarren ist es fertig.

Transparentes Flussdiagramm der Holzproduktion

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Auf diese Weise erhalten wir ein transparentes Stück Holz!

Bildquelle: Referenz [2] Die Erfinder dieser Methode sind Xia Qinqin und Chen Chaoji aus dem Team von Professor Hu Liangbing an der School of Materials Science and Engineering der University of Maryland. Bei dem speziellen Vorgang, eine 1 m lange und 1 mm dicke Balsaholzplatte in eine transparente Holzplatte zu verwandeln, wird zunächst eine Schicht Wasserstoffperoxid auf die Oberfläche der Platte gestrichelt und diese dann eine Stunde lang ultraviolettem Licht (oder Sonnenlicht) ausgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt bleicht das Wasserstoffperoxid die Chromophore des Lignins aus und hinterlässt nur das aromatische Skelett des Lignins.

Mit Wasserstoffperoxidbleiche bürsten

Bildquelle: Referenz [2] Anschließend wird das Holz in Ethanol getaucht, um Rückstände wie Lignin zu entfernen. Abschließend werden die Holzporen mit transparentem Epoxidharz gefüllt, dessen Brechungsindex dem der Holzzellwände entspricht. Nachdem die Holzplatte gefüllt und ausgehärtet wurde, entsteht eine Platte mit 90 % Transparenz, die deutlich höher ist als die Transparenz von 6 % bis 36 % bei Naturholz.

Schematische Darstellung der Aufbereitungsstrecke. Quelle: Referenz [2]

Diese Methode zur Herstellung von transparentem Holz weist eine höhere Produktionseffizienz und geringere Kosten auf und ist nachhaltiger und kontrollierbarer, was sie zu einem kosteneffizienten Herstellungsprozess macht.

Ist die Herstellung von transparentem Holz nach dem Lesen des obigen Inhalts sehr einfach? Wenn Sie die Voraussetzungen haben, können Sie es zu Hause selbst machen! Wasserstoffperoxid ist jedoch ein starkes Oxidationsmittel und kann sehr schmerzhaft sein, wenn es auf die Haut spritzt. Bei wissenschaftlichen Erkundungen müssen Sie auf den Schutz achten und die Sicherheit an erste Stelle setzen.

DIY transparentes Holz mit verschiedenen Mustern Quelle: Referenz [2] 03

Wofür ist transparentes Holz gut?

Transparentes Holz hat die Vorteile von geringem Gewicht, hoher Lichtdurchlässigkeit, gewisser Trübung, geringer Wärmeleitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit. Verglichen mit der industriellen Produktion anderer transparenter Materialien wie Glas und Kunststoff, die einen hohen Energieverbrauch und eine hohe Umweltverschmutzung verursacht, ist die Herstellung von transparentem Holz umweltfreundlicher und die Auswahl an Rohstoffen ist auch relativ groß.

Im Vergleich zum Baustoff Glas ist transparentes Holz leichter und stabiler, verfügt über eine bessere Wärmedämmung und kann für tragende Fenster und Dächer verwendet werden. Es eignet sich für Orte mit architektonisch-ästhetischen Anforderungen, beispielsweise als Wandmaterial an öffentlichen Orten wie Flughäfen, Bibliotheken und Museen.

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Darüber hinaus bietet transparentes Holz aufgrund seiner einzigartigen hierarchischen Struktur, seines hohen spezifischen Widerstands und seiner guten Lichtmanagementeigenschaften das Potenzial für eine breite Anwendung in optoelektronischen Geräten, Energiespargebäuden, Solarzellen und Touchpanels. In rauen, staubigen Umgebungen kann es auch als Abdeckung für Solarmodule verwendet werden, sodass diese auch bei sonnigem Sandsturmwetter weiterhin Strom erzeugen können.

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Ich bin überzeugt, dass transparente Holzverbundwerkstoffe mit diesen umfassenden Vorteilen in Zukunft breitere Anwendungsszenarien haben werden!

Verweise

[1] Kong Weiqing, Hu Shufeng, Yu Senlong, Zhou Zhe, Zhu Meifang. Forschungsfortschritt bei Lignocellulose-Funktionsmaterialien[J]. Journal of Textile Research, 2022, 43(04): 1-9.

[2] Qinqin Xia, Chaoji Chen, Tian Li, Shuaiming He, Jinlong Gao, Xizheng Wang und Liangbing Hu. „Solargestützte Herstellung von großflächigem, musterbarem transparentem Holz“ .Science Advances, Januar 2021.

[3] Ruiyu Mi, Chaoji Chen, Tobias Keplinger, Yong Pei, Shuaiming He, Dapeng Liu, Jianguo Li, Jiaqi Dai, Emily Hitz, Bao Yang, Ingo Burgert und Liangbing Hu. „Skalierbares ästhetisches transparentes Holz für energieeffiziente Gebäude“. Nature Communications, Juli 2020.

Autor: Xu Yan, Doktorand in Materialwissenschaften an der Fudan-Universität

Herausgeber: Eine Person

Danksagung: Professor Ma Ruguang von der School of Materials Science and Engineering der Suzhou University of Science and Technology lieferte wissenschaftliche Beratung für diesen Artikel