Hace 30 años, un botánico alemán tenía un simple deseo: ver el funcionamiento interno de las plantas leñosas sin diseccionarlas. Siegfried Fink logró crear madera transparente blanqueando los pigmentos de las células vegetales y publicó su técnica en una revista especializada en tecnología de la madera. El artículo de 1992 fue la última palabra sobre la madera transparente durante más de una década, hasta que un investigador llamado Lars Berglund se topó con él.
Berglund se inspiró en el descubrimiento de Fink, pero no por razones botánicas. El científico de materiales, que trabaja en el Real Instituto de Tecnología KTH de Suecia, se ha especializado en compuestos poliméricos y estaba interesado en crear una alternativa más robusta al plástico transparente. Y no fue el único interesado en las virtudes de la madera. Al otro lado del océano, investigadores de la Universidad de Maryland estaban ocupados con un objetivo relacionado: aprovechar el poder de la madera para fines no tradicionales.
Ahora, tras años de experimentos, las investigaciones de estos grupos empiezan a dar frutos. La madera transparente pronto podría usarse en pantallas súper duraderas de teléfonos inteligentes, lámparas de luz suave e incluso elementos estructurales como ventanas que cambian de color.
«Realmente creo que este material tiene un futuro prometedor», dice Qiliang Fu, nanotecnólogo de la madera de la Universidad Forestal de Nanjing en China, que trabajó en el laboratorio de Berglund como estudiante de posgrado.
La madera se compone de innumerables pequeños canales verticales, como un haz apretado o un haz de pajitas unidas con pegamento. Estas células en forma de tubo transportan agua y nutrientes por todo el árbol, y cuando se corta el árbol y la humedad se evapora, quedan bolsas de aire. Para crear madera transparente, los científicos primero tienen que modificar o eliminar el pegamento, llamado lignina, que mantiene unidos los haces de células y da a los troncos y ramas la mayor parte de sus tonos marrones terrosos. Después de blanquear el color de la lignina o eliminarla, queda un esqueleto blanco lechoso de células huecas.
Este esqueleto permanece opaco porque las paredes celulares desvían la luz de manera diferente que el aire en las cavidades celulares, un valor llamado índice de refracción. Al llenar las bolsas de aire con una sustancia como resina epoxi, que desvía la luz en un grado similar a las paredes celulares, la madera se vuelve transparente.
El material con el que trabajaron los científicos es fino: normalmente entre un milímetro y un centímetro de espesor. Pero las células crean una robusta estructura de panal y las diminutas fibras de la madera son más fuertes que las mejores fibras de carbono, dice el científico de materiales Liangbing Hu, que dirige el grupo de investigación de madera transparente de la Universidad de Maryland en College Park. Y con la resina añadida, la madera transparente supera al plástico y al vidrio: en pruebas que miden la facilidad con la que los materiales se fracturan o rompen bajo presión, se descubrió que la madera transparente es aproximadamente tres veces más fuerte que los plásticos transparentes como el vidrio. plexiglás y aproximadamente 10 veces más que el vidrio.
“Los resultados son sorprendentes, que un trozo de madera puede ser tan resistente como el vidrio”, afirma Hu, quien destacó las características de la madera transparente en el Revisión anual de la investigación de materiales de 2023.
El proceso también funciona con madera más gruesa, pero la visión a través de esa sustancia es más borrosa porque dispersa más luz. En sus estudios originales de 2016, Hu y Berglund descubrieron que las láminas milimétricas de esqueletos de madera rellenos de resina dejan pasar entre el 80 y el 90 por ciento de la luz. A medida que el espesor se acerca al centímetro, el paso de la luz disminuye: el grupo de Berglund informó que una madera de 3,7 milímetros de espesor (aproximadamente el espesor de dos monedas de cinco céntimos) sólo deja pasar la luz. 40% de la luz.
El perfil delgado y la resistencia del material significan que puede ser una excelente alternativa a los productos fabricados con cortes finos de plástico o vidrio fáciles de romper, como las pantallas de visualización. La empresa francesa Woodoo, por ejemplo, utiliza un proceso de eliminación de lignina similar en sus pantallas de madera, pero deja algo de lignina para crear una estética de color diferente. La empresa está adaptando sus pantallas digitales reciclables y sensibles al tacto a productos como tableros de instrumentos de automóviles y vallas publicitarias.
Pero la mayoría de las investigaciones se han centrado en la madera transparente como elemento arquitectónico, siendo las ventanas un uso especialmente prometedor, dice Prodyut Dhar, ingeniero bioquímico del Instituto Indio de Tecnología de Varanasi. La madera transparente es un aislante mucho mejor que el vidrio, por lo que podría ayudar a los edificios a retener el calor o mantenerlo fuera. Hu y sus colegas también han utilizado alcohol polivinílico, o PVA, un polímero utilizado en pegamentos y envases de alimentos, para infiltrarse en los esqueletos de madera, produciendo madera transparente que conduce el calor cinco veces más lento que el vidrio, informó el estudio. equipo en 2019 en Materiales funcionales avanzados.
Y los investigadores están ideando otros ajustes para aumentar la capacidad de la madera para retener o liberar calor, lo que sería útil para edificios energéticamente eficientes. Céline Montanari, científica de materiales de los Institutos de Investigación RISE de Suecia, y sus colegas experimentaron con materiales de cambio de fase, que pasan de almacenar a liberar calor cuando pasan de un estado sólido a uno líquido, o viceversa. Al incorporar polietilenglicol, por ejemplo, los científicos descubrieron que su madera podía almacenar calor cuando estaba caliente y liberarlo cuando se enfriaba, trabajo que publicaron en Interfaces y materiales aplicados de ACS en 2019.
Por lo tanto, las ventanas de madera transparente serían más resistentes y ayudarían a controlar la temperatura mejor que el vidrio tradicional, pero la vista a través de ellas sería borrosa, más parecida al vidrio esmerilado que a una ventana normal. Sin embargo, la nebulosidad podría ser una ventaja si los usuarios desean una luz difusa: dado que la madera es más gruesa y resistente, podría ser una fuente de luz que a su vez soporte parte del peso de un edificio, como un techo que proporcionaría una luz suave a un habitación, dice Berglund.
Hu y Berglund han seguido explorando formas de conferir nuevas propiedades a la madera transparente. Hace unos cinco años, Berglund y sus colegas de KTH y el Instituto de Tecnología de Georgia descubrieron que podían imitar ventanas inteligentes, que pueden cambiar de transparentes a tintadas para bloquear la visibilidad o los rayos del sol. Los investigadores intercalaron un polímero electrocrómico (una sustancia que puede cambiar de color con la electricidad) entre capas de madera transparente recubiertas con un electrodo de polímero para conducir la electricidad. Esto creó un panel de madera que cambia de transparente a magenta cuando los usuarios pasan una pequeña corriente eléctrica a través de él.
Más recientemente, los dos grupos han centrado su atención en mejorar la sostenibilidad de la producción de madera transparente. Por ejemplo, la resina que se utiliza para rellenar los andamios de madera suele ser un producto plástico derivado del petróleo, por lo que es mejor evitar su uso, afirma Montanari. En su lugar, ella y sus colegas inventaron un polímero completamente biológico, derivado de cáscaras de cítricos. El equipo primero combinó ácido acrílico y limoneno, una sustancia química extraída de las cáscaras de limón y naranja que se encuentra en los aceites esenciales. Luego impregnaban con él madera deslignificada. Incluso con el relleno afrutado, la madera transparente de base biológica mantuvo sus propiedades mecánicas y ópticas, resistiendo unos 30 megapascales de presión más que la madera normal y transmitiendo aproximadamente el 90% de la luz, informaron los investigadores en 2021 en Ciencia avanzada.
El laboratorio de Hu, por su parte, acaba de publicar en Avances científicos un método más ecológico de blanqueo de lignina basado en peróxido de hidrógeno y radiación UV, que reduce aún más la demanda energética de producción. El equipo cepilló rodajas de madera de entre 0,5 y 3,5 milímetros de espesor con peróxido de hidrógeno y luego las colocó frente a lámparas ultravioleta para imitar los rayos del sol. Los rayos ultravioleta blanquearon las partes de la lignina que contienen pigmentos, pero dejaron intactas las partes estructurales, lo que ayudó a preservar más resistencia en la madera.
Estos enfoques más respetuosos con el medio ambiente ayudan a limitar la cantidad de productos químicos tóxicos y polímeros fósiles utilizados en la producción, pero por ahora el vidrio sigue teniendo un impacto medioambiental menor al final de su vida útil que la madera transparente, según un análisis de De Dhar y sus colegas en Ciencia del Medio Ambiente Total. Los investigadores dicen que adoptar sistemas de producción más ecológicos y ampliar la fabricación son dos pasos necesarios para introducir la madera transparente en los mercados principales, pero llevará tiempo. Sin embargo, confían en que es posible y creen en su potencial como material sostenible.
«Cuando se intenta lograr la sostenibilidad, no sólo se desea igualar las propiedades de los materiales de origen fósil», afirma Montanari. «Como científico, quiero superarlo».
Artículo traducido por Debbie Ponchner.
Este artículo apareció originalmente en Conocible en españoluna publicación sin fines de lucro dedicada a poner el conocimiento científico al alcance de todos.
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