Innovatiivinen läpinäkyvä puu tarjoaa kestävän muovialternatiivin

Yksi tärkeimmistä uusiutuvista ja kestävästi tuotetuista resursseista on puu. Se on kaikkialla ympärillämme ja omaa hämmästyttäviä ominaisuuksia. Tämä kestävä ja monipuolinen materiaali on luonnollinen eriste, joka on epäsaastuttava ja kestävä.

Puulla on laaja käyttöalue, tulenpolttopuusta, paperista ja rakentamisesta huonekaluihin, polttoaineeseen, mausteisiin ja tuoksuihin. Se on ollut keskeinen ihmiskunnan sivilisaatiolle ja talouskehitykselle vuosisatojen ajan. 

Nyt kaikki tunnemme puun, sen käyttötapaukset ja sen merkityksen elämässämme. Mutta puu voidaan tehdä myös läpinäkyväksi. Tämä luonnollisesti esiintyvä, puusta peräisin oleva kiinteä materiaali voidaan muuttaa läpinäkyväksi puuksi korvaamalla puun keskeiset komponentit.

Puulla on kolme pääkomponenttia: selluloosa, hemiselluloosa ja ligniini, ja ligniinin ja hemiselluloosan poistaminen tekee puusta läpinäkyvän. 

Ligniinin tumma väri johtuu monimutkaisista kromofoorista. Selluloosa ja hemiselluloosa puolestaan ovat värittömiä.

Kun nämä komponentit poistetaan, jäljelle jää huokoinen, paperin kaltainen selluloosan verkko. Värittömällä materiaalilla täytetään nämä huokoset, jolloin palautuu jonkin verran jäykkyyttä. 

Tämä kiehtova puun muutos, joka tekee siitä läpinäkyvän säilyttäen samalla vahvuutensa, ei ole uusi; se löydettiin ensimmäisen kerran vuosikymmeniä sitten, mutta se on vasta äskettäin saanut jalansijaa kestävien materiaalien tutkimuksessa.

Läpinäkyvä puu: tieteellinen läpimurto

Puun muuntaminen läpinäkyväksi materiaaliksi aloitettiin vuonna 1992 saksalaisen tutkijan Siegfried Finkin toimesta.

Ideana oli nähdä puiden sisäiset mekanismit ilman leikkaamista. Kasvitieteilijä siis valkaisi pigmentit pois ja loi läpinäkyvän puun.

Kymmenen vuoden yli Finkin löytöä ei ollut tutkimusta tällä alalla, kunnes ruotsalainen materiaalitieteilijä Lars Berglund KTH:n kuninkaallisesta teknillisestä korkeakoulusta alkoi tutkia läpinäkyvän muovin vaihtoehtoa.

Viisi vuotta läpinäkyvän puun ensimmäisen kehittämisen jälkeen tutkijat onnistuneesti testasivat¹ ekologisen vaihtoehdon vuonna 2021. Vaihtoehto oli limoneeniakrylaatti, joka valmistetaan uusiutuvasta sitrushedelmien kuorijätteestä.

“Fossiilipohjaisten polymerien korvaaminen on ollut yksi haasteista, joita olemme kohdanneet kestävän läpinäkyvän puun valmistamisessa.”

– Berglund sanoi tuolloin

Uusi komposiitti tarjosi 90 % optista läpäisykykyä 1,2 mm paksuudessa ja erittäin alhaisen sumuisuuden 30 %. Rakennekäyttöön kehitetty materiaali osoitti raskaan mekaanisen suorituskyvyn, joustavuuden 17 GPa (noin 2,5 Mpsi) ja lujuuden 174 MPa (25,2 ksi).

Samanaikaisesti KTH:n ensimmäisen läpinäkyvän puun hankkeen jälkeen Marylandin yliopiston (UMD) professori Liang Bing Hu oli kiinnostunut hyödyntämään puun vahvuutta. He havaitsivat, että läpinäkyvä puu, kun siihen lisättiin epoksihartsia, oli kymmenen kertaa kestävämpää kuin lasi ja kolme kertaa vahvempaa kuin läpinäkyvät muovit.

Vuonna 2019 UMD:n tutkijat kehittivät² rakenteellisen materiaalin, jonka mekaaninen lujuus oli 404,3 megapascalia, yli kahdeksan kertaa luonnollista puuta, täydellisen delignifikaation ja puun tiivistämisen avulla. Tutkijoiden mukaan heidän jäähdyttävän puunsa voi tuottaa energiansäästöä 20 % ja 60 % välillä. 

Läpinäkyvän puun kasvava suosio tutkimuksessa

Jatkuvien edistysaskelten myötä alalla viime vuosina läpinäkyvä puu ei ole enää pelkkä tieteellinen uutuus. Se on vihdoin noussut valokeilaan, kun kokeet alkavat kantaa hedelmää ja osoittavat potentiaalia laboratoriotason ulkopuolella.

Läpinäkyvän puun optiset, fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet herättävät erityisesti paljon keskustelua. Esimerkiksi läpinäkyvä puu on erittäin vahva ja samalla kevyt.

Lisäksi läpinäkyvä puu eristää paljon paremmin kuin lasi, mikä tuo valtavia etuja arkkitehtuuriin. Toisaalta lasi on todettu ympäristöystävällisemmäksi sen myrkyttömyyden ja helpomman kierrätettävyyden vuoksi.

Silti läpinäkyvä puu tarjoaa lukuisia ympäristöetuja, kuten muutkin kasveista johdetut materiaalit. Se on biohajoava, sitä voidaan kasvattaa loputtomiin, ja uusi kasvu sitoo hiilidioksidia, mikä tekee siitä ympäristölle hyödyllisen.

Läpinäkyvän puun elinkaarianalyysitutkimus³ todettiin, että sen uusiutuvien ja biohajoavien ominaisuuksien ansiosta läpinäkyvä puu voi korvata perinteiset öljypohjaiset polymerit. Sen elinkaaren (EOL) analyysi osoitti merkittävästi pienemmät ekologiset vaikutukset (107‑kertaisesti) verrattuna polyeteeniin.

Tutkimus totesi lisäksi, että läpinäkyvän puun cradle-to-gate -analyysi osoittaa, että delignifikaatio natriumsulfiittia, natriumhydroksidia ja vetyperoksidia käyttäen sekä epoksihartsin tunkeutuminen aiheuttavat pienimmät ympäristövaikutukset. 

Käyttötapauksissa läpinäkyvää puuta voidaan käyttää valaisimissa, älyikkunoissa ja jopa älypuhelimissa. Sitä odotetaan myös käytettävän autoteollisuudessa, kun insinöörit pyrkivät integroimaan elektroniikkaa kosketusherkkiin läpinäkyvään puuhun. 

Muita kehitteillä olevia sovelluksia ovat puupohjaiset valoa emittoivat diodit (LED) ja sähkömagneettisen häiriön (EMI) suojaukset magneettisten nanopartikkelien lisäämisen avulla. 

Kuitenkin laajamittainen läpinäkyvän puun käyttöönotto on vielä saavuttamatta, koska skaalautuvaa valmistustekniikkaa puuttuu. Lisäksi tutkijat pyrkivät parantamaan läpinäkyvän puun tuotannon kestävyyttä.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten massipuuta avaa tietä puukorktorneille.

Luonnollisten materiaalien käyttö vahvan läpinäkyvän puun valmistamiseen 

Tutkijat ovat itse asiassa kehittäneet puoliläpinäkyvän puun käyttämällä luonnollisia materiaaleja kuten kananmunanvalkuaista ja riisiä, mikä on johtanut kestävään, biohajoavaan vaihtoehtoon muoveille.

Bharat Baruah, kemian professori Kennesaw State Universityssa (KSU), esitteli tutkimuksen American Chemical Society (ACS) -kokouksessa. Tutkimuksen tavoitteena on luoda läpinäkyvä puu (TW), jolla on ominaisuuksia kuten sähkönjohtavuus, optinen läpinäkyvyys ja joustavuus.

Näiden ominaisuuksien avulla puuta voidaan käyttää energiatehokkaissa ja sähköisissä laitteissa, jotka ovat elintärkeitä osia elämässämme.

Rakentaaksemme laitteita kuten antureita, joustavia elektroniikkaa ja energian varastointilaitteita, tarvitsemme edullisia ja helposti saatavilla olevia materiaaleja, jotka on helppo valmistaa. Perinteisesti muovit ovat täyttäneet tämän roolin, mutta nämä biohajoamattomat materiaalit eivät vain kestä satoja vuosia ympäristössä, vaan ne myös vahingoittavat ekosysteemiä.

“Nykypäivänä muovi on kaikkialla, myös laitteissamme, joita kuljetamme mukana. Ja se on ongelma, kun laitteen elinkaari päättyy. Se ei ole biohajoava. Joten kysyin, entä jos voisimme luoda jotain luonnollista ja biohajoavaa sen sijaan?”

– Baruah

Tavoitteena löytää edullisempia, helposti saatavilla olevia ja helposti valmistettavia vaihtoehtoja sähköisiin laitteisiin, tutkijat kääntyivät luonnollisesti puun puoleen.

Viimeisimmässä tutkimuksessa tutkijat impregnoivat delignifioidun puun (DW) bioyhteensopivalla ja biohajoavalla polymerilla luodakseen läpinäkyvän puun (TW). Nämä luonnolliset polymerit lisäsivät läpinäkyvään puuhun joustavuutta.

Sillä välin hopea-nanokuitujen (AgNWs) sisällyttäminen siihen toi TW:lle sähkönjohtavuutta. Tutkijoiden mukaan muokattu puu (MW) “saisi valtavan potentiaalin optoelektroniikassa, energian varastoinnissa ja biolääketieteellisissä laitteissa.”

Tämä innovatiivinen materiaali voi mahdollisesti mullistaa teollisuuksia tarjoamalla ympäristöystävällisen korvaajan muoveille tuotteissa kuten älypuhelinten näytöt ja energiatehokkaat ikkunat. Ottaen huomioon sen lupaavat ominaisuudet, kaupallisten sovellusten odotetaan ilmestyvän seuraavan 3–5 vuoden aikana.​

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten uudet kemialliset menetelmät auttavat muovin muuntamisessa korkean arvon hartseiksi.

Läpinäkyvän puun käyttökohteiden laajentaminen mahdollistamalla johtavuus 

Läpinäkyvät puut, vaikka ne ovatkin kehittyneet jo vuosia, käyttävät edelleen muovia, erityisesti epoksihartseja, vahvistaakseen niitä. Siksi Baruahin täytyi löytää luonnollisia materiaaleja, jotka pitävät puun kestävänä ja vakaana ajan myötä.

KSU:n ja ilmanpuhdistusvalmistaja Purafilin rahoittamana viimeisimmässä tutkimuksessa Baruah käytti balsapuuta ja poisti siitä ligniinin ja hemiselluloosan. Poisto tehtiin tyhjiökamari- ja kemikaalimenetelmällä, mukaan lukien laimennettu valkaisuaine, natriumhydroksidi (lye) ja natriumsulfiitti, joka on delignifikaatioväline.

Huokosten täyttämiseksi puu liotettiin kananmunanvalkuaisen ja riisiuutteen seoksessa. Karkaisuaineena käytettiin dietyleeniamiinia, jotta materiaali pysyy läpinäkyvänä.

Koska näitä reagensseja käytettiin pieninä määrinä, tutkijoiden mukaan ne aiheuttavat vain vähän ympäristöhaittoja. Jotkut karkaisuaineet, erityisesti epoksihartsien kanssa, voivat aiheuttaa ympäristöriskejä toksisuutensa vuoksi, ja jos niitä ei hävitetä asianmukaisesti, ne voivat saastuttaa. Lopputuloksena jäi joustavia ja kestäviä puoliläpinäkyviä puusäikeitä.

Seuraava askel oli tutkia mahdollisia sovelluksia tälle suunnitellulle puulle. Yksi tutkituista käyttötapauksista oli lasi-ikkunoiden korvaaminen.

Tätä varten Baruah perusti ensin linnunpesän pieneen, eristettyyn kotiin, jossa oli yksi ikkuna. Nyt energiatehokkuuden testaamiseksi linnunpesä asetettiin lämmittimälampun alle, ja sisään asennettiin lämpömittari. 

Käytettäessä läpinäkyvää puuta tiimi havaitsi, että sisälämpötila oli 5–6 °C (tai 9–11 °F) viileämpi kuin lasia käytettäessä. Tämä viittaa uuden materiaalin käyttökelpoisuuteen energiatehokkaana vaihtoehtona lasille ikkunoissa.

Tiimi lisäsi joihinkin näytteisiin hopea-nanokuituja laajentaakseen TW:n mahdollisia sovelluksia. Hopea-nanokuitujen lisääminen mahdollisti puun, joka on huono sähkönjohtaja, johtamaan sähköä. Tämä ominaisuus tekee muokatusta puusta käyttökelpoisen aurinkokennojen pinnoitteisiin tai kannettaviin antureihin. 

Vaikka hopea-nanokuidut eivät hajoa elävien organismien, kuten bakteerien, toimesta, tiimi aikoo tehdä lisäkokeita johtavien materiaalien, kuten grafiitin, avulla säilyttääkseen läpinäkyvien puiden täyden luonnollisuuden. 

Työ ei ole vielä valmis, sillä läpinäkyvyyden parantamiseksi tarvitaan lisää tutkimusta. Tiimi on kuitenkin innoissaan alkuperäisestä saavutuksestaan, joka perustuu luonnollisten ja edullisten materiaalien käyttöön. 

“Haluan lähettää viestin alkeiskurssejani opiskelijoille, että mielenkiintoista tutkimusta voi tehdä ilman tuhansien dollareiden kulutusta.” 

– Baruah

Nippon Paper Industries Co., Ltd.

Edistyneiden puupohjaisten materiaalien kehittämisen johtaja, Nippon Paper tutkii kestäviä vaihtoehtoja perinteisille muoveille. 

Yksi sen ympäristöystävällisistä tuotteista on Non-Aluminum FUJIPAK, juomapakkaus, joka voidaan säilyttää pitkään huoneenlämmössä. Sen estekerroksena ei ole alumiinia, vaan uusiutuvaa biomassa‑materiaalia, kuten paperikorttia, jonka päälle on päällystetty estefilmillä. Seuraamalla samaa keräysreittiä kuin maitopakkaukset, sen kierrätysasteen odotetaan paranevan. Lisäksi alumiinin poistaminen helpottaa polyeteenin käsittelyä selluloosikuidun talteenoton jälkeen.

Toinen tuote on School POP®, pilluttamaton pakkaus, joka vähentää kertakäyttömuoveja arjessa. Nipponin mukaan tuote voi lisätä ympäristötietoisuutta jo varhaisessa iässä. Se on kehitetty koulumaitoa varten ja edistää ruokahävikkiä. 

SPOPS® on vielä yksi Nipponin tuote, joka korvaa shampoo‑“täytön” “korvaamisella”. Yrityksen mukaan täyttöaika lyhenee jopa 75 % SPOPS®:n avulla, jossa poistetaan pumpu, vaihdetaan patruuna ja asennetaan pumpu uudelleen. 

Paperin käyttö päämateriaalina vähentää samalla muovin käyttöä 25 %–40 %, tehden siitä sekä “käyttäjäystävällisen” että “ympäristöystävällisen”. Vaikka tuote on paperipohjainen, se tarjoaa korkean toiminnallisuuden, sillä SPOPS® kestää erilaisia nesteitä kuten korkean konsentraation alkoholia ja pinta-aktiivisia aineita.

Muutama kuukausi sitten Nippon julkaisi SPOPS‑liiketoimintansa laajentamisen Etelä-Korean markkinoille yhteistyössä lifestyle‑brändi NOTRAC Inc.:n kanssa “ECOJE”‑brändin alla.

Lisäksi on olemassa ympäristöystävällisiä pakkausmateriaaleja, kuten SHIELDPLUS®, joka käyttää “paperinvalmistuksen vesipohjaista pinnoitusteknologiaa” 100 % puupohjaiseen materiaaliin, selluloosan nanokuitua (CNF) nimeltä Cellenpia®, joka valmistetaan tekniikalla, joka hajottaa selluloosikuidun erittäin pieniksi (nano) tasoiksi, MinerPa® ainutlaatuisella sellun muovattavuudella ja erilaisilla epäorgaanisilla ominaisuuksilla, lämpösuljettava paperi Lamina®, jota voidaan käyttää pakkaamiseen ilman laminointia, sekä sen monitoiminen pahvisen peruspaperin Waterproof Liner.

Nippon on myös ligniinituottaja, joka kehittää tuotteita hyödyntäen sen erinomaisia ominaisuuksia. Ligniinituotteiden dispersio‑, paakku‑ ja kelausominaisuudet tekevät niistä laajasti käyttökelpoisia teollisuuden aloilla.

Näiden kestävien ponnistelujen lisäksi Japanissa pääkonttorinsa omaava Nippon Paper Industries valmistaa ja myy paperituotteita eri segmenttien kautta, mukaan lukien Paperi ja sellu, Paperiin liittyvät, Puutuotteet, Rakentamiseen liittyvät ja muut.

Kirjoitushetkellä yhtiön osakekurssi on 7,96 $, P/E‑lukema 3,75 ja Price‑to‑Sales‑lukema 0,10. Se maksaa 0,95 %:n osinkotuoton.

Vuoden 2025 kolmannella neljänneksellä Nippon raportoi 1,3 %:n nettomyynnin kasvun 886,3 miljardia jenkiä (5,9 miljardia $) huolimatta graafisen paperin kysynnän vähenemisestä. Tämä johtui kotitalouspaperin, terveydenhuoltotuotteiden ja kemikaalien myynnin kasvusta. Liiketoiminnan tulos nousi 9,2 % vuodesta toiseen 11,1 miljardia jenkiä (74,2 milj. $) energialiiketoiminnan vahvan suorituksen ansiosta. 

Nipponin kotimainen paperi‑ ja kartonkituotteiden myyntimäärä laski heikon kysynnän vuoksi, samoin kuin voitot, vaikka polttoaineiden, kuten hiilen, hinnat pysyivät vakaina. Tämä johtui työvoima‑ ja logistiikkakustannusten noususta.

Yhtiö raportoi myös biomassi‑tuotteidensa kilpailukyvyn vahvistumisesta vähentämällä kasvihuonekaasupäästöjä (GHG) Ishinomakin tehtaalla. Merkittävä vähennys johtui hiilivoimalan sulkemisesta ja korkean hyötysuhteen mustan lian talteenotto­kattilan asentamisesta.

Yhteenveto

Energiavarastoinnin ja elektroniikan maailmassa tarvitaan edullisia ja kestäviä materiaaleja. Muovi, kuten kaikki tiedämme, on arvokas keveytensä, muovattavuutensa ja eristyskykynsä vuoksi, mutta se on biohajoamaton ja aiheuttaa merkittäviä ympäristö‑ ja terveysongelmia.

Tässä puu tarjoaa luonnollisen, edullisen, kestävän ja hiiltä sitovan ratkaisun. Tutkijat ovat parantaneet sitä tekemällä siihen muokkauksia. Tuloksena syntynyt läpinäkyvä puu merkitsee suurta askelta kohti kestäviä materiaaleja elektroniikassa ja energian varastoinnissa. Viimeisin tutkimus vie sen vielä pidemmälle käyttämällä luonnollisia materiaaleja kuten kananmunanvalkuaista ja riisiuutetta, mikä osoittaa huipputason innovaation, joka lupaa jokapäiväistä käyttöä ilman ympäristöä kuormittavaa vaikutusta. 

Kun läpinäkyvän puun tutkimus etenee ja näkee todellisen maailman toteutuksen, se voi määritellä uudelleen elektroniikan ja energian varastoinnin tulevaisuuden tekemällä siitä huipputeknologiaa ja ympäristövastuullista.

Viitteet:

1. Montanari, C., Ogawa, Y., Olsén, P., & Berglund, L. A. (2021). Korkea suorituskyky, täysin bio‑pohjainen ja optisesti läpinäkyvä puubiokomposiitti. 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). Säteilyjäähdyttävä rakenteellinen materiaali. Science, 364(6442), 760–763. https://doi.org/10.1126/science.aau9101

3. Rai, R., Ranjan, R., & Dhar, P. (2022, July 22). Läpinäkyvän puun tuotannon elinkaarianalyysi käyttäen nousevia teknologioita ja strategista skaalauskehystä. Science of The Total Environment, 846, 157301. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157301