Pourquoi les scientifiques fabriquent-ils du bois transparent ? | Technologie

Il y a 30 ans, un botaniste allemand avait un souhait simple : voir le fonctionnement interne des plantes ligneuses sans les disséquer. Siegfried Fink a obtenu créer du bois transparent blanchissant les pigments des cellules végétales et publie sa technique dans une revue spécialisée dans la technologie du bois. L’article de 1992 a été le dernier mot sur le bois transparent pendant plus d’une décennie, jusqu’à ce qu’un chercheur nommé Lars Berglund tombe dessus.

Berglund s’est inspiré de la découverte de Fink, mais pas pour des raisons botaniques. Le scientifique des matériaux, qui travaille à l’Institut royal de technologie KTH de Suède, s’est spécialisé dans les composites polymères et souhaitait créer une alternative plus robuste au plastique transparent. Et il n’était pas le seul à s’intéresser aux vertus du bois. De l’autre côté de l’océan, des chercheurs de l’Université du Maryland s’occupaient d’un objectif connexe : exploiter le pouvoir du bois à des fins non traditionnelles.

Aujourd’hui, après des années d’expérimentation, les recherches de ces groupes commencent à porter leurs fruits. Le bois transparent pourrait bientôt être utilisé dans des écrans de smartphone ultra-durables, des lampes à lumière douce et même des éléments structurels tels que des fenêtres aux couleurs changeantes.

“Je crois sincèrement que ce matériau a un avenir prometteur”, déclare Qiliang Fu, nanotechnologue du bois à l’Université forestière de Nanjing en Chine, qui a travaillé dans le laboratoire de Berglund en tant qu’étudiant diplômé.

Le bois est constitué d’innombrables petits canaux verticaux, comme un paquet serré ou un paquet de pailles maintenues ensemble par de la colle. Ces cellules en forme de tube transportent l’eau et les nutriments dans tout l’arbre, et lorsque l’arbre est abattu et que l’humidité s’évapore, des poches d’air subsistent. Pour créer du bois transparent, les scientifiques doivent d’abord modifier ou retirer la colle, appelée lignine, qui maintient les faisceaux de cellules ensemble et donne aux troncs et aux branches la plupart de leurs tons brun terreux. Après avoir blanchi la couleur de la lignine ou l’avoir éliminée, il reste un squelette blanc laiteux de cellules creuses.

Ce squelette reste opaque car les parois cellulaires courbent la lumière différemment de l’air présent dans les cavités cellulaires, une valeur appelée indice de réfraction. En remplissant les poches d’air avec une substance telle que la résine époxy, qui courbe la lumière au même degré que les parois cellulaires, le bois devient transparent.

Le matériau avec lequel les scientifiques ont travaillé est mince : généralement entre un millimètre et un centimètre d’épaisseur. Mais les cellules créent une structure en nid d’abeille robuste et les minuscules fibres de bois sont plus résistantes que les meilleures fibres de carbone, explique Liangbing Hu, scientifique en matériaux, qui dirige le groupe de recherche sur le bois transparent à l’Université du Maryland à College Park. Et avec la résine ajoutée, le bois transparent surpasse le plastique et le verre : lors de tests mesurant la facilité avec laquelle les matériaux se fracturent ou se brisent sous la pression, le bois transparent s’est avéré environ trois fois plus résistant que les plastiques transparents comme le verre et le plexiglas et environ 10 fois plus que le verre. .

« Les résultats sont étonnants : un morceau de bois peut être aussi résistant que le verre », déclare Hu, qui a souligné le caractéristiques du bois transparent dans le Bilan annuel de la recherche sur les matériaux de 2023.

Le processus fonctionne également avec du bois plus épais, mais la vision à travers cette substance est plus floue car elle diffuse davantage de lumière. Dans leurs études originales de 2016, Hu et Berglund ont découvert que les feuilles millimétriques de squelettes de bois remplis de résine laissent passer 80 à 90 % de la lumière. À mesure que l’épaisseur approche un centimètre, le passage de la lumière diminue : le groupe de Berglund a rapporté qu’un bois de 3,7 millimètres d’épaisseur, soit environ l’épaisseur de deux pièces de cinq cents, ne laisse passer que la lumière, soit 40 % de la lumière.

Le profil mince et la résistance du matériau en font une excellente alternative aux produits fabriqués à partir de fines coupes de plastique ou de verre faciles à briser, tels que les écrans d’affichage. La société française Woodoo, par exemple, utilise un processus similaire d’élimination de la lignine sur ses écrans en bois, mais laisse un peu de lignine pour créer une esthétique de couleur différente. L’entreprise adapte ses écrans numériques tactiles et recyclables à des produits tels que les tableaux de bord et les panneaux d’affichage des voitures.

Mais la plupart des recherches se sont concentrées sur le bois transparent en tant qu’élément architectural, les fenêtres étant une utilisation particulièrement prometteuse, explique Prodyut Dhar, ingénieur biochimiste à l’Institut indien de technologie de Varanasi. Le bois transparent est un bien meilleur isolant que le verre, il pourrait donc aider les bâtiments à retenir la chaleur ou à l’empêcher d’entrer. Hu et ses collègues ont également utilisé de l’alcool polyvinylique, ou PVA, un polymère utilisé dans les colles et les emballages alimentaires, pour infiltrer les squelettes de bois, produisant ainsi du bois transparent qui conduit la chaleur plus rapidement. cinq fois inférieure à celle du verre, l’équipe a rapporté en 2019 dans Matériaux fonctionnels avancés.

Et les chercheurs proposent d’autres modifications pour augmenter la capacité du bois à retenir ou à libérer de la chaleur, ce qui serait utile pour les bâtiments économes en énergie. Céline Montanari, spécialiste des matériaux aux instituts de recherche RISE en Suède, et ses collègues ont expérimenté des matériaux à changement de phase, qui passent du stockage à la libération de chaleur lorsqu’ils passent de l’état solide à l’état liquide, ou vice versa. En incorporant du polyéthylène glycol, par exemple, les scientifiques ont découvert que leur bois pouvait emmagasiner de la chaleur lorsqu’il était chaud et la restituer en refroidissant, travaux qu’ils ont publiés dans Matériaux et interfaces appliqués ACS en 2019.

Par conséquent, les fenêtres en bois transparent seraient plus solides et aideraient à mieux contrôler la température que le verre traditionnel, mais la vue à travers elles serait floue, ressemblant davantage à du verre dépoli qu’à une fenêtre normale. Cependant, la nébulosité pourrait être un avantage si les utilisateurs souhaitent une lumière diffuse : le bois étant plus épais et plus résistant, il pourrait être une source de lumière qui à son tour supporterait une partie du poids d’un bâtiment, comme un toit qui fournirait une lumière douce à un bâtiment. pièce, dit Berglund.

Hu et Berglund ont continué à jouer avec les moyens de conférer de nouvelles propriétés au bois transparent. Il y a environ cinq ans, Berglund et ses collègues du KTH et du Georgia Institute of Technology ont découvert qu’ils pouvaient imiter fenêtres intelligentes, qui peut passer de transparent à teinté pour bloquer la visibilité ou les rayons du soleil. Les chercheurs ont pris en sandwich un polymère électrochrome (une substance qui peut changer de couleur avec l’électricité) entre des couches de bois transparent recouvertes d’un polymère d’électrode pour conduire l’électricité. C’est ainsi qu’il a été créé un panneau de bois changeant du transparent au magenta lorsque les utilisateurs y font passer un petit courant électrique.

Plus récemment, les deux groupes ont concentré leur attention sur l’amélioration de la durabilité de la production de bois transparent. Par exemple, la résine utilisée pour remplir les échafaudages en bois est généralement un produit plastique dérivé du pétrole, il est donc préférable d’éviter son utilisation, explique Montanari. Pour la remplacer, elle et ses collègues ont inventé un polymère entièrement biologique, dérivé des écorces d’agrumes. L’équipe a d’abord combiné l’acide acrylique et le limonène, un produit chimique extrait des écorces de citron et d’orange que l’on trouve dans les huiles essentielles. Ensuite, ils en ont imprégné du bois délignifié. Même avec la charge fruitée, le bois transparent d’origine biologique a conservé ses propriétés mécaniques et optiques, résistant à environ 30 mégapascals de pression de plus que le bois ordinaire et transmettant environ 90 % de la lumière, ont rapporté les chercheurs en 2021 dans Science avancée.

Le laboratoire de Hu, de son côté, vient de publier dans Avancées scientifiques et méthode plus écologique de blanchiment de la lignine à base de peroxyde d’hydrogène et de rayonnement UV, ce qui réduit encore la demande énergétique de la production. L’équipe a brossé des tranches de bois d’une épaisseur comprise entre 0,5 et 3,5 millimètres avec du peroxyde d’hydrogène, puis les a placées devant des lampes UV pour imiter les rayons du soleil. Les rayons UV ont blanchi les parties de la lignine qui contiennent des pigments, mais ont laissé les parties structurelles intactes. , ce qui a permis de conserver plus de résistance au bois.

Ces approches plus respectueuses de l’environnement permettent de limiter la quantité de produits chimiques toxiques et de polymères fossiles utilisés dans la production, mais pour l’instant, le verre a toujours un impact environnemental en fin de vie plus faible que le bois transparent, selon une analyse de Dhar et ses collègues de Science de l’environnement total. Selon les chercheurs, l’adoption de systèmes de production plus écologiques et l’intensification de la fabrication sont deux étapes nécessaires pour introduire le bois transparent sur les marchés traditionnels, mais cela prendra du temps. Cependant, ils sont convaincus que cela est possible et croient en son potentiel en tant que matériau durable.

« Lorsque vous essayez d’atteindre la durabilité, vous ne voulez pas seulement égaler les propriétés des matériaux d’origine fossile », explique Montanari. “En tant que scientifique, je veux surmonter ce problème.”

Article traduit par Debbie Ponchner.

Cet article a été initialement publié dans Connaissable en espagnolune publication à but non lucratif dédiée à rendre la connaissance scientifique accessible à tous.

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