الخشب الشفاف المبتكر يقدم بديلاً مستدامًا للبلاستيك

إحدى أهم الموارد المتجددة والمستدامة هي الخشب. هو موجود حولنا جميعًا ويمتلك خصائص مذهلة. هذه المادة المتينة والمتعددة الاستخدامات هي عازل طبيعي غير ملوث ومستدام.

للخشب مجموعة واسعة من الاستخدامات، من الحطب والورق والبناء إلى الأثاث والوقود والنكهات والعطور. لقد كان حاسمًا في حضارة الإنسان والتنمية الاقتصادية لقرون. 

الآن، جميعنا على دراية بالخشب، وحالات استخدامه، وأهميته في حياتنا. لكن يمكن حتى جعل الخشب شفافًا. هذه المادة الصلبة الطبيعية المستخرجة من الأشجار يمكن تحويلها إلى خشب شفاف عن طريق استبدال المكونات الرئيسية للخشب.

يتكون الخشب من ثلاثة مكونات رئيسية: السليلوز، والهيمسليلوز، واللجنين، وإزالة اللجنين والهيمسليلوز تجعل الخشب شفافًا. 

اللون الداكن للجنين ناتج عن الكروماتوفورات المعقدة. بينما السليلوز والهيمسليلوز لا لون لهما.

عند إزالة هذه المكونات، يبقى شبكة مسامية شبيهة بالورق من السليلوز. ثم يملأ مادة عديمة اللون تلك المسام، مستعيدًا بعض الصلابة. 

هذا التحول المثير للخشب، الذي يجعله شفافًا مع الحفاظ على قوته، ليس حديثًا؛ فقد اكتُشف لأول مرة قبل عقود، لكنه لم يحظَ بالاهتمام إلا مؤخرًا في أبحاث المواد المستدامة.

الخشب الشفاف: إنجاز علمي

بدأ تحويل الخشب إلى مادة شفافة في عام 1992 على يد العالِم الألماني سيغفريد فينك.

كانت الفكرة هي رؤية الآليات الداخلية للنباتات الخشبية دون تشريحها. لذا، قام عالم النبات بتبييض الصبغات وانتهى به الأمر إلى إنشاء خشب شفاف.

لم يتم استكشاف هذا المجال في أكثر من عقد من الزمن منذ اكتشاف فينك الأول، حتى قام لارس بيرغلوند، عالم مواد في معهد التكنولوجيا الملكي (KTH) في السويد، بالبحث عن بديل للبلاستيك الشفاف.

خمسة أعوام بعد تطوير الخشب الشفاف لأول مرة، اختبر الباحثون بنجاح¹ بديلًا صديقًا للبيئة في عام 2021. كان البديل هو أكريلات الليمونين، المصنوعة من الحمضيات المتجددة مثل نفايات القشور.

“استبدال البوليمرات المستندة إلى الوقود الأحفوري كان أحد التحديات التي واجهناها في صنع خشب شفاف مستدام.”

– قال بيرغلوند في ذلك الوقت

قدّم المركب الجديد شفافية بصرية بنسبة 90٪ عند سمك 1.2 مم وضبابية منخفضة جدًا تبلغ 30٪. تم تطويره للاستخدام الهيكلي، وأظهر أداءً ميكانيكيًا قويًا، مع مرونة تبلغ 17 جيجاباسكال (حوالي 2.5 مليون رطل لكل بوصة مربعة) وقوة 174 ميغاباسكال (25.2 ألف رطل لكل بوصة مربعة).

في الوقت نفسه الذي بدأت فيه معهد KTH الملكي في استكشاف الخشب الشفاف، كان الأستاذ ليانغ بينغ هو في جامعة ميريلاند (UMD) مهتمًا باستغلال قوة الخشب. وجدوا أن الخشب الشفاف، عند إضافته إلى راتنج الإيبوكسي، كان أكثر مرونة بعشر مرات من الزجاج وثلاث مرات أقوى من البلاستيك الشفاف.

في عام 2019، طور باحثو جامعة ميريلاند مادة هيكلية ذات قوة ميكانيكية تبلغ 404.3 ميغاباسكال، أي أكثر من ثمان مرات من الخشب الطبيعي، من خلال إزالة اللجنين بالكامل وتكثيف الخشب. وفقًا للباحثين، يمكن لخشب التبريد الخاص بهم تحقيق توفير في الطاقة يتراوح بين 20٪ و 60٪.

الخشب الشفاف يكتسب شعبية متزايدة في الأبحاث

مع التقدم المستمر في هذا المجال خلال السنوات القليلة الماضية، لم يعد الخشب الشفاف مجرد ظاهرة علمية جديدة. فقد بدأ يبرز في الأضواء مع بدء التجارب في إظهار نتائج واعدة وتظهر إمكاناته خارج المختبرات.

تثير الخصائص البصرية والفيزيائية والميكانيكية للخشب الشفاف، على وجه الخصوص، الكثير من الضجة. على سبيل المثال، الخشب الشفاف قوي جدًا وخفيف الوزن أيضًا.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الخشب الشفاف أفضل بكثير في العزل مقارنة بالزجاج، مما يعني أنه يحمل فوائد هائلة في الهندسة المعمارية. ومع ذلك، وُجد أن الزجاج أكثر صداقة للبيئة لأنه غير سام وأسهل في إعادة التدوير.

مع ذلك، يتمتع الخشب الشفاف بالعديد من المزايا البيئية، مثل أي مادة أخرى مشتقة من النباتات. أولاً، هو قابل للتحلل الحيوي. يمكن أيضًا زراعته إلى ما لا نهاية، وهذا النمو الجديد يلتقط ويخزن ثاني أكسيد الكربون، مما يجعله مفيدًا للبيئة.

وجدت دراسة تقييم دورة الحياة للخشب الشفاف أنه، بفضل خصائصه المتجددة والقابلة للتحلل، يمتلك القدرة على استبدال البوليمرات التقليدية المستندة إلى البترول. أظهر تحليل نهاية العمر (EOL) تقليلًا كبيرًا في الأثر البيئي (107 مرات) مقارنة بالبولي إيثيلين.

وأشارت الدراسة أيضًا إلى أن تحليل من المهد إلى البوابة للخشب الشفاف يُظهر أن إزالة اللجنين باستخدام كبريتات الصوديوم، وهيدروكسيد الصوديوم، وبيروكسيد الهيدروجين، إلى جانب تغلغل الإيبوكسي، يؤدي إلى أقل الأثر البيئي.

فيما يتعلق بحالات الاستخدام، يمكن استخدام الخشب الشفاف في تركيبات الإضاءة، والنوافذ الذكية، وحتى هواتفك الذكية. من المتوقع أيضًا أن يجد تطبيقات في قطاع السيارات مع عمل المهندسين على دمج الإلكترونيات في الخشب الشفاف الحساس للمس.

تجري أيضًا تطوير تطبيقات أخرى لهذا الخشب، بما في ذلك صمامات الضوء (LED) القائمة على الخشب والحماية من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) بإضافة جسيمات نانوية مغناطيسية.

لكن بالطبع، لم يتحقق الاعتماد الواسع للخشب الشفاف بعد بسبب نقص تقنية تصنيع على نطاق واسع. بالإضافة إلى ذلك، يعمل الباحثون على تحسين استدامة إنتاج الخشب الشفاف.

انقر هنا لتعرف كيف يفتح الخشب الضخم الطريق لأبراج الخشب الشاهقة.

استخدام المواد الطبيعية لصنع خشب شفاف قوي 

طور الباحثون بالفعل خشبًا شبه شفاف باستخدام مواد طبيعية مثل بياض البيض والأرز، مما ينتج بديلًا قويًا وقابلًا للتحلل للمواد البلاستيكية.

قدم بهارات باروا، أستاذ الكيمياء في جامعة كينيساو ستيت (KSU)، البحث في اجتماع الجمعية الكيميائية الأمريكية (ACS). يهدف البحث إلى إنشاء خشب شفاف (TW) بخصائص مثل التوصيل الكهربائي، والشفافية البصرية، والمرونة.

مع هذه الخصائص، يمكن استخدام الخشب في الأجهزة الموفرة للطاقة والكهربائية، وهي أجزاء لا غنى عنها في حياتنا.

لبناء أجهزة مثل المستشعرات، والإلكترونيات المرنة، وأجهزة تخزين الطاقة، نحتاج إلى مواد رخيصة ومتاحة بسهولة وسهلة التصنيع. تقليديًا، كانت البلاستيكات تفي بهذا الدور، لكن هذه المواد غير القابلة للتحلل لا تظل في البيئة لمئات السنين فحسب، بل تضر أيضًا بالنظام البيئي.

“في العصر الحديث، البلاستيك موجود في كل مكان، بما في ذلك أجهزتنا التي نحملها. وتصبح مشكلة عندما نصل إلى نهاية عمر الجهاز. فهو غير قابل للتحلل. لذا سألت، ماذا لو استطعنا إنشاء شيء طبيعي وقابل للتحلل بدلاً من ذلك؟”

– باروا

مع هدف العثور على بدائل أرخص، ومتاحة بسهولة، وسهلة التصنيع إلى أجهزة إلكترونية، نظر الباحثون بطبيعية إلى الخشب.

في الدراسة الأخيرة، قام الباحثون بتشريب الخشب المُزيل اللجنين (DW) ببوليمر حيوي ومتوافق مع البيئة لإنشاء خشب شفاف (TW). أضافت هذه البوليمرات الطبيعية مرونة إلى الخشب الشفاف.

في الوقت نفسه، أدخل دمج أسلاك الفضة النانوية (AgNWs) توصيلًا كهربائيًا إلى الخشب الشفاف. وفقًا للباحثين، فإن الخشب المعدل (MW) “سيكون له إمكانات هائلة في الإلكترونيات الضوئية، وتخزين الطاقة، والأجهزة الطبية الحيوية.”

يمكن لهذا المادة المبتكرة أن تُحدث ثورة في الصناعات من خلال توفير بديل صديق للبيئة للبلاستيك في منتجات مثل شاشات الهواتف الذكية والنوافذ الموفرة للطاقة. وبالنظر إلى خصائصها الواعدة، من المتوقع ظهور تطبيقات تجارية خلال السنوات 3 إلى 5 القادمة.​

انقر هنا لتعرف كيف تساعد الطرق الكيميائية الجديدة في تحويل المطاط إلى راتنجات ذات قيمة عالية.

توسيع استخدامات الخشب الشفاف من خلال تمكين التوصيل الكهربائي 

الخشب الشفاف، رغم أنه قيد التطوير منذ سنوات، لا يزال يستخدم البلاستيك، وهو أحد أشكاله (الإيبوكسي) لتقويته. لذا، اضطر باروا للبحث عن مواد طبيعية للحفاظ على صلابة الخشب واستقراره مع مرور الوقت.

بتمويل من جامعة KSU وشركة تصفية الهواء Purafil، استخدم باروا في الدراسة الأخيرة خشب البالسا وأزال منه اللجنين والهيمسليلوز. تم إجراء الإزالة باستخدام حجرة تفريغ ومواد كيميائية، بما في ذلك مبيض مخفف، وهيدروكسيد الصوديوم (نوع من الصودا الكاوية)، وكبريتات الصوديوم، وهو عامل إزالة اللجنين.

الآن، لإعادة ملء المسام، تم نقعه في مزيج من بياض البيض ومستخلص الأرز. كما استُدم عامل تجفيف يُدعى دي إيثيلين تري أمين لضمان بقاء المادة شفافة.

نظرًا لاستخدام هذه المواد الكيميائية بكميات قليلة هنا، يقول الباحثون إن خطرها على البيئة قليل. بعض عوامل التجفيف، خاصةً تلك المستخدمة مع راتنجات الإيبوكسي، قد تشكل تهديدًا بيئيًا بسبب سميتها، وعند عدم التخلص منها بشكل صحيح قد تتسبب في تلوث. في النهاية، كانت الشرائح الشبه شفافة المرنة والمتينة من الخشب هي ما تبقى.

كانت الخطوة التالية استكشاف التطبيقات المحتملة لهذا الخشب المُهندس. أحد حالات الاستخدام التي تم التحقيق فيها كان استبدال النوافذ الزجاجية.

لهذا، قام باروا أولاً بتحويل بيت طائر إلى منزل صغير معزول بنافذة واحدة. لاختبار كفاءته الطاقية، وضع البيت تحت مصباح حراري مع وضع مقياس حرارة داخله.

عند استخدام الخشب الشفاف، وجد الفريق أن درجة الحرارة داخل المنزل الصغير كانت أقل بمقدار 5 إلى 6 درجات مئوية (أو 9 إلى 11 درجة فهرنهايت) مقارنةً باستخدام الزجاج. وهذا يشير إلى إمكانية استخدام المادة الجديدة كبديل موفر للطاقة للزجاج في النوافذ.

ثم أضاف الفريق أسلاك الفضة النانوية إلى بعض العينات لتوسيع تطبيقات الخشب الشفاف. سمح إضافة أسلاك الفضة النانوية للخشب، الذي كان موصلًا ضعيفًا للكهرباء، بأن يصبح موصلًا. تجعل هذه الخاصية الخشب المعدل مفيدًا كطبقة تغطية للخلايا الشمسية أو المستشعرات القابلة للارتداء.

على الرغم من أن أسلاك الفضة النانوية لا يمكن تحللها بواسطة الكائنات الحية مثل البكتيريا، يخطط الفريق لإجراء تجارب إضافية باستخدام مواد موصلة مثل الجرافين للحفاظ على الطبيعة الكاملة لأخشابهم الشفافة.

ومع ذلك، لا يزال العمل غير مكتمل، إذ يتطلب المزيد من البحث لتعزيز شفافية الأخشاب. ومع ذلك، يشعر الفريق بالحماس تجاه إنجازهم الأولي، وهو استخدام مواد طبيعية ورخيصة.

“أريد أن أرسل رسالة إلى طلابي الجامعيين بأنهم يمكنهم إجراء أبحاث مثيرة دون إنفاق آلاف الدولارات.”

– باروا

Nippon Paper Industries Co., Ltd.

رائد في تطوير المواد المتقدمة القائمة على الخشب، تستكشف شركة نِبون بَيبَر بدائل مستدامة للبلاستيك التقليدي. 

أحد منتجاتها الصديقة للبيئة هو Non-Aluminum FUJIPAK، علبة مشروبات يمكن تخزينها لفترة طويلة في درجة حرارة الغرفة. بدلاً من استخدام الألمنيوم كطبقة حاجزة، يستخدم مادة حيوية متجددة، مثل الورق المقوى المغطى بطبقة حاجزة. باتباع نفس مسار علب حليب المشروبات في الجمع، من المتوقع تحسين معدل إعادة تدويره. علاوة على ذلك، إزالة الألمنيوم من المعادلة يجعل من السهل معالجة البولي إيثيلين بعد استعادة ألياف السليلوز.

المنتج الآخر هو School POP®، وهو علبة خالية من القشات تقلل من البلاستيك أحادي الاستخدام في الحياة اليومية. وفقًا لشركة نِبون، يمكن للمنتج أن يساعد في رفع الوعي البيئي من سن مبكرة. تم تطويره لحليب المدارس ويساهم في منع فقدان الطعام. 

SPOPS® هو منتج آخر من نِبون يستبدل “إعادة تعبئة” الشامبو بـ “استبداله”. وفقًا للشركة، يقلل وقت إعادة التعبئة بنسبة تصل إلى 75٪ باستخدام SPOPS®، الذي يتضمن إزالة المضخة، استبدال الخرطوشة، وإعادة إدخال المضخة. 

استخدام الورق كمادة رئيسية يقلل من استهلاك البلاستيك بنسبة 25٪ إلى 40٪، مما يجعله “سهل الاستخدام” و“صديقًا للبيئة”. على الرغم من كونه منتجًا ورقيًا، إلا أنه يقدم وظائف عالية حيث يمكن لـ SPOPS® التعامل مع مجموعة متنوعة من السوائل مثل الكحول عالي التركيز والمواد الخافضة للتوتر السطحي.

قبل بضعة أشهر، أعلنت شركة نِبون عن توسيع أعمالها في مجال SPOPS إلى السوق الكورية الجنوبية بالتعاون مع علامة NOTRAC Inc. للمنتجات الحياتية تحت علامة “ECOJE”.

ثم هناك مواد تعبئة صديقة للبيئة تُدعى SHIELDPLUS® التي تستخدم “تقنية طلاء مائي لصنع الورق” لمادة خشبية بنسبة 100٪، ألياف سليلوز نانوية (CNF) تُسمى Cellenpia® تُصنع باستخدام تقنية تُحطم ألياف السليلوز إلى مستويات صغيرة جدًا (نانوية)، MinerPa® ذات قابلية تشكيل اللب الفريدة والوظائف غير العضوية المتعددة، ورق قابل للالتصاق بالحرارة Lamina® يمكن استخدامه للتعبئة دون تغليف، وورق مقوى متعدد الوظائف يُدعى Waterproof Liner.

تُعد نِبون أيضًا مُصنِّعًا للجنين يطوّر منتجات باستخدام خصائصه الممتازة. تجعل قابلية انتشار منتجات الجنين، وتكتلها، وخصائصها المخلّبة لها استخدامًا واسعًا في المجالات الصناعية.

إلى جانب هذه الجهود المستدامة، تصنّع وتبيع شركة نِبون بَيبَر إندستريز، التي تتخذ من اليابان مقراً لها، منتجات ورقية عبر قطاعات مختلفة، بما في ذلك الورق واللب، والمنتجات المتعلقة بالورق، ومنتجات الخشب، والمنتجات المتعلقة بالبناء، وغيرها.

في وقت كتابة هذه السطور، تُتداول أسهم الشركة عند 7.96 دولار، مع نسبة السعر إلى الأرباح (P/E) تبلغ 3.75 ونسبة السعر إلى المبيعات 0.10. وتدفع عائد توزيعات بنسبة 0.95٪.

في الربع الثالث من السنة المالية 2025، أبلغت نِبون عن زيادة بنسبة 1.3٪ في صافي المبيعات لتصل إلى 886.3 مليار ين (5.9 مليار دولار) رغم انخفاض الطلب على الورق الرسومي. كان ذلك نتيجة نمو مبيعات الورق المنزلي، والمنتجات الصحية، والكيماويات. كما ارتفع الدخل التشغيلي بنسبة 9.2٪ على أساس سنوي إلى 11.1 مليار ين (74.2 مليون دولار) بفضل الأداء القوي في قطاع الطاقة.

انخفض حجم مبيعات نِبون المحلية من منتجات الورق والورق المقوى بسبب ضعف الطلب، وكذلك الأرباح، على الرغم من استقرار أسعار الوقود مثل الفحم. وكان ذلك نتيجة زيادة تكاليف العمالة واللوجستيات.

كما أفادت الشركة بأنها عززت تنافسية منتجاتها الحيوية من خلال خفض انبعاثات الغازات الدفيئة (GHG) في مطحنة إيشينومكي. جاء هذا التخفيض الكبير نتيجة إغلاق مرجل الفحم وتركيب مرجل استعادة سائل أسود عالي الكفاءة.

الخاتمة

في عالم تخزين الطاقة والإلكترونيات، هناك حاجة إلى مواد رخيصة ومستدامة. البلاستيك، كما نعلم جميعًا، على الرغم من قيمته العالية لكونه خفيف الوزن، قابل للتشكيل، وعازل جيد، إلا أنه غير قابل للتحلل ويشكل مشكلات بيئية وصحية كبيرة.

هنا، يقدم الخشب حلاً طبيعيًا ورخيصًا ومستدامًا وثابتًا للكربون. قام الباحثون بتحسينه أكثر من خلال إجراء تعديلات عليه. يمثل الخشب الشفاف الناتج خطوة كبيرة نحو مواد مستدامة للإلكترونيات وتخزين الطاقة. تدفع الأبحاث الأخيرة الأمر إلى أبعد من ذلك باستخدام مواد طبيعية مثل بياض البيض ومستخلص الأرز، مما يُظهر ابتكارًا متقدمًا يَعِد بتطبيقات يومية دون الإضرار ببيئتنا. 

مع تقدم الأبحاث المتعلقة بالخشب الشفاف ورؤيتها للتنفيذ في العالم الحقيقي، يمكن أن تعيد تعريف مستقبل الإلكترونيات وتخزين الطاقة بجعلها تقنية عالية ومسؤولة بيئيًا.

الدراسات المشار إليها:

1. Montanari, C., Ogawa, Y., Olsén, P., & Berglund, L. A. (2021). أداء عالي، مركب خشبي شفاف بصريًا بالكامل ومصنوع من مواد حيوية. Advanced Science. https://doi.org/10.1002/advs.202100559

2. Li, T., Zhai, Y., He, S., Gan, W., Wei, Z., Heidarinejad, M., Dalgo, D., Mi, R., Zhao, X., Song, J., Dai, J., Chen, C., Aili, A., Vellore, A., Martini, A., Yang, R., Srebric, J., Yin, X., & Hu, L. (2019). مادة هيكلية للتبريد الإشعاعي. Science, 364(6442), 760–763. https://doi.org/10.1126/science.aau9101

3. Rai, R., Ranjan, R., & Dhar, P. (2022, July 22). تقييم دورة الحياة لإنتاج الخشب الشفاف باستخدام تقنيات ناشئة وإطار توسيع استراتيجي. Science of The Total Environment, 846, 157301. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157301