Le bois transparent innovant offre un substitut plastique durable

L’une des ressources renouvelables et durables les plus importantes est le bois. Il est présent partout autour de nous et possède des qualités étonnantes. Ce matériau durable et polyvalent est un isolant naturel qui ne pollue pas et est durable.

Le bois a une large gamme d’utilisations, du bois de chauffage, du papier et de la construction aux meubles, au combustible, aux arômes et aux parfums. Il a été crucial pour la civilisation humaine et le développement économique pendant des siècles. 

Aujourd’hui, nous connaissons tous le bois, ses cas d’utilisation et son importance dans nos vies. Mais le bois peut même être rendu transparent. Ce matériau solide, naturellement présent, dérivé des arbres, peut être transformé en bois transparent en remplaçant les composants clés du bois.

Le bois possède trois composants principaux : cellulose, hémicellulose et lignine, et le retrait de la lignine et de l’hémicellulose rend le bois transparent. 

La couleur sombre de la lignine est due aux chromophores complexes. La cellulose et l’hémicellulose, quant à elles, sont incolores.

Lorsque ces composants sont retirés, il reste un réseau poreux, semblable à du papier, de cellulose. Un matériau incolore remplit alors ces pores, restaurant une certaine rigidité. 

Cette transformation fascinante du bois, qui le rend transparent tout en conservant sa résistance, n’est pas récente ; elle a été découverte il y a plusieurs décennies, mais elle n’a récemment gagné en popularité dans la recherche sur les matériaux durables.

Bois transparent: une percée scientifique

La transformation du bois en matériau transparent a été initiée en 1992 par le scientifique allemand Siegfried Fink.

L’idée était de voir les mécanismes internes des plantes ligneuses sans les disséquer. Ainsi, le botaniste a blanchi les pigments et a créé du bois transparent.

Pendant plus d’une décennie après la découverte de Fink, aucune recherche n’a exploré ce domaine, jusqu’à ce que Lars Berglund, scientifique des matériaux au KTH Royal Institute of Technology en Suède, s’intéresse à la création d’une alternative au plastique transparent.

Cinq ans après le premier développement du bois transparent, les chercheurs ont testé avec succès¹ une alternative écologique en 2021. L’alternative était l’acrylate de limonène, fabriqué à partir d’agrumes renouvelables comme les déchets d’écorce.

“Remplacer les polymères d’origine fossile a été l’un des défis que nous avons rencontrés pour fabriquer du bois transparent durable.”

– Berglund a déclaré à l’époque

Le nouveau composite offrait une transmission optique de 90 % à une épaisseur de 1,2 mm et un voile extrêmement faible de 30 %. Développé pour un usage structurel, il présentait des performances mécaniques robustes, avec une élasticité de 17 GPa (environ 2,5 Mpsi) et une résistance de 174 MPa (25,2 ksi).

À la même époque que la première incursion du KTH Royal Institute dans le bois transparent, le professeur Liang Bing Hu de l’University of Maryland (UMD) s’intéressait à exploiter la résistance du bois. Ils ont découvert que le bois transparent, lorsqu’il était combiné à de la résine époxy, était dix fois plus résilient que le verre et trois fois plus résistant que les plastiques transparents.

En 2019, les chercheurs de l’UMD ont développé² un matériau structurel avec une résistance mécanique de 404,3 MPa, soit plus de huit fois celle du bois naturel, grâce à une délignification complète et à la densification du bois. Selon les chercheurs, leur bois refroidissant peut permettre des économies d’énergie entre 20 % et 60 %.

Popularité croissante du bois transparent dans la recherche

Avec les progrès continus réalisés dans le domaine au cours des dernières années, le bois transparent n’est plus une simple nouveauté scientifique. Il commence enfin à être sous les projecteurs alors que les expériences portent leurs fruits et montrent un potentiel au‑delà des laboratoires.

Les propriétés optiques, physiques et mécaniques du bois transparent, en particulier, suscitent beaucoup d’intérêt. Par exemple, le bois transparent est très résistant et également léger.

Sans oublier que le bois transparent offre une bien meilleure isolation que le verre, ce qui représente d’énormes avantages en architecture. Cependant, le verre a été jugé plus respectueux de l’environnement en raison de sa non‑toxicité et de sa facilité de recyclage.

Néanmoins, le bois transparent présente de nombreux avantages environnementaux, comme tout autre matériau d’origine végétale. Tout d’abord, il est biodégradable. Il peut également être cultivé indéfiniment, et cette nouvelle croissance capture et séquestre le CO₂, ce qui le rend bénéfique pour l’environnement.

Une étude d’évaluation du cycle de vie du bois transparent³ a révélé que, grâce à ses propriétés renouvelables et biodégradables, le bois transparent a le potentiel de remplacer les polymères traditionnels à base de pétrole. Son analyse en fin de vie (EOL) a montré des impacts écologiques réduits de façon significative (107 fois) par rapport au polyéthylène.

L’étude a également noté que l’analyse du berceau à la porte du bois transparent indique que la délignification à l’aide de sulfite de sodium, d’hydroxyde de sodium et de peroxyde d’hydrogène, combinée à l’infiltration d’époxy, entraîne les impacts environnementaux les plus faibles.

En ce qui concerne les cas d’utilisation, le bois transparent peut être employé dans les luminaires, les fenêtres intelligentes et même les smartphones. On s’attend également à ce qu’il trouve des applications dans le secteur automobile, les ingénieurs travaillant à l’intégration d’électronique dans du bois transparent sensible au toucher.

D’autres applications pour ce bois sont également en cours de développement, notamment des diodes électroluminescentes (LED) à base de bois et le blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI) en ajoutant des nanoparticules magnétiques.

Mais bien sûr, l’adoption généralisée du bois transparent n’est pas encore réalisée en raison de l’absence d’une technique de fabrication à grande échelle. De plus, les chercheurs travaillent à améliorer la durabilité de la production du bois transparent.

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Utilisation de matériaux naturels pour fabriquer du bois transparent et résistant 

Les chercheurs ont en fait développé du bois semi‑transparent en utilisant des matériaux naturels tels que le blanc d’œuf et le riz, aboutissant à une alternative robuste et biodégradable aux plastiques.

Bharat Baruah, professeur de chimie à la Kennesaw State University (KSU), a présenté la recherche lors d’une réunion de l’American Chemical Society (ACS). La recherche vise à créer du bois transparent (TW) avec des propriétés telles que la conductivité électrique, la transparence optique et la flexibilité.

Avec ces propriétés, le bois peut être utilisé dans des dispositifs économes en énergie et électroniques, qui sont des éléments indispensables de notre quotidien.

Pour fabriquer des dispositifs tels que des capteurs, de l’électronique flexible et des dispositifs de stockage d’énergie, nous avons besoin de matériaux bon marché et facilement disponibles, faciles à fabriquer. Traditionnellement, les plastiques ont rempli ce rôle, mais ces matériaux non biodégradables persistent dans l’environnement pendant des centaines d’années et sont également nocifs pour l’écosystème.

“De nos jours, le plastique est partout, y compris dans nos appareils que nous transportons. Et c’est un problème lorsque nous arrivons à la fin de vie de cet appareil. Il n’est pas biodégradable. Alors je me suis demandé, et si nous pouvions créer quelque chose de naturel et biodégradable à la place ?”

– Baruah

Dans le but de trouver des alternatives moins chères, facilement disponibles et simples à fabriquer en dispositifs électroniques, les chercheurs se sont naturellement tournés vers le bois.

Dans la dernière étude, les chercheurs ont imprégné le bois délignifié (DW) avec un polymère biocompatible et biodégradable pour créer du bois transparent (TW). Ces polymères naturels ont ajouté de la flexibilité au bois transparent.

Parallèlement, l’incorporation de nanofils d’argent (AgNWs) a introduit la conductivité électrique au TW. Le bois modifié (MW), selon les chercheurs, « aurait un potentiel énorme en optoélectronique, stockage d’énergie et dispositifs biomédicaux ».

Ce matériau innovant peut potentiellement révolutionner les industries en offrant un substitut écologique aux plastiques dans des produits tels que les écrans de smartphones et les fenêtres économes en énergie. Étant donné ses propriétés prometteuses, des applications commerciales pourraient apparaître d’ici 3 à 5 ans.

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Extension des utilisations du bois transparent grâce à la conductivité 

Les bois transparents, bien qu’ils soient en développement depuis des années, utilisent encore du plastique, une forme de celui‑ci (époxydes) pour les renforcer. Ainsi, Baruah a dû trouver des matériaux naturels pour maintenir le bois solide et stable dans le temps.

Financé par la KSU et le fabricant de filtration d’air Purafil, dans la dernière étude, Baruah a utilisé du bois de balsa et en a extrait la lignine et l’hémicellulose. Le retrait a été effectué à l’aide d’une chambre à vide et de produits chimiques, dont de l’eau de Javel diluée, de l’hydroxyde de sodium (une forme de soude caustique) et du sulfite de sodium, qui est un agent délignifiant.

Ensuite, pour remplir les pores, il a été trempé dans un mélange de blanc d’œuf et d’extrait de riz. Un agent de durcissement appelé diéthylène triamine a également été utilisé pour garantir que le matériau reste transparent.

Comme ces réactifs ont été utilisés en petites quantités ici, les chercheurs affirment qu’ils présentent peu de danger pour l’environnement. Certains agents de durcissement, notamment ceux utilisés avec les résines époxy, peuvent poser des menaces environnementales en raison de leur toxicité, et lorsqu’ils ne sont pas éliminés correctement, ils peuvent polluer. En fin de compte, des tranches semi‑transparentes flexibles et durables du bois étaient tout ce qui restait.

L’étape suivante consistait à explorer les applications potentielles de ce bois ingénieux. Un des cas d’utilisation étudiés était le remplacement des fenêtres en verre.

Pour cela, Baruah a d’abord transformé une nichée d’oiseaux en une petite maison isolée avec une fenêtre. Ensuite, pour tester son efficacité énergétique, la nichée a été placée sous une lampe chauffante avec un thermomètre à l’intérieur.

En utilisant le bois transparent, l’équipe a constaté que la température à l’intérieur de la petite maison était de 5 à 6 degrés Celsius (ou 9 à 11 degrés Fahrenheit) plus basse que lorsqu’on utilisait du verre. Cela suggère que le nouveau matériau est utilisable comme alternative écoénergétique au verre dans les fenêtres.

L’équipe a ensuite ajouté des nanofils d’argent à certains échantillons afin d’élargir les applications potentielles du TW. L’ajout de ces nanofils a permis au bois, naturellement mauvais conducteur d’électricité, de conduire l’électricité. Cette propriété rend le bois modifié utile pour les revêtements de cellules solaires ou les capteurs portables.

Bien que les nanofils d’argent ne puissent pas être décomposés par des organismes vivants comme les bactéries, l’équipe prévoit de mener d’autres expériences en utilisant des matériaux conducteurs comme le graphène afin de préserver la naturalité totale de leurs bois transparents.

Le travail n’est pas terminé, cependant, car davantage de recherches sont nécessaires pour améliorer la transparence du bois. Néanmoins, l’équipe est enthousiaste quant à leur première réalisation, qui repose sur l’utilisation de matériaux naturels et peu coûteux.

“Je veux envoyer un message à mes étudiants de premier cycle que vous pouvez faire de la recherche intéressante sans dépenser des milliers de dollars.” 

– Baruah

Nippon Paper Industries Co., Ltd.

Leader dans le développement de matériaux avancés à base de bois, Nippon Paper explore des alternatives durables aux plastiques traditionnels. 

L’un de ses produits respectueux de l’environnement comprend le Non‑Aluminum FUJIPAK, un carton de boisson qui peut être conservé pendant une longue période à température ambiante. Au lieu d’utiliser de l’aluminium pour la couche de barrière, il utilise un matériau biomasse renouvelable, tel que du carton recouvert d’un film barrière. En suivant le même circuit que les cartons de boissons lactées pour la collecte, son taux de recyclage devrait s’améliorer. De plus, l’élimination de l’aluminium facilite le traitement du polyéthylène après la récupération des fibres de cellulose.

L’autre produit est le School POP®, un carton sans paille qui réduit les plastiques à usage unique dans la vie quotidienne. Selon Nippon, le produit peut aider à sensibiliser à l’environnement dès le plus jeune âge. Il a été développé pour le lait scolaire et contribue à la prévention du gaspillage alimentaire.

SPOPS® est un autre produit de Nippon qui remplace le « remplissage » du shampoing par le « remplacement ». Selon l’entreprise, le temps de remplissage est réduit jusqu’à 75 % avec SPOPS®, qui consiste à retirer la pompe, remplacer la cartouche et réinsérer la pompe.

L’utilisation du papier comme matériau principal réduit quant à elle l’usage de plastique de 25 % à 40 %, le rendant à la fois « convivial » et « respectueux de l’environnement ». Malgré le fait qu’il s’agisse d’un produit en papier, il offre une grande fonctionnalité, car le SPOPS® peut gérer une variété de liquides comme l’alcool à haute concentration et les tensioactifs.

Il y a quelques mois, Nippon a annoncé l’expansion de son activité SPOPS sur le marché sud‑coréen en partenariat avec la marque lifestyle NOTRAC Inc. sous la marque « ECOJE ».

Ensuite, il existe des matériaux d’emballage écologiques appelés SHIELDPLUS® qui utilisent une « technologie de revêtement à base d’eau pour la fabrication du papier » pour un matériau 100 % bois, des nanofibres de cellulose (CNF) appelées Cellenpia® créées grâce à une technologie qui décompose les fibres de cellulose à un niveau extrêmement petit (nano), MinerPa® avec une malléabilité unique de pâte et diverses fonctions inorganiques, du papier thermo-scellable Lamina® pouvant être utilisé pour l’emballage sans laminage, et son carton à base de papier multifonctionnel Waterproof Liner.

Nippon est également un fabricant de lignine qui développe des produits en exploitant ses excellentes propriétés. La dispersibilité, la capacité à éviter le tassement et les propriétés chélatantes des produits à base de lignine les rendent largement utilisables dans les secteurs industriels.

En plus de ces efforts durables, la société japonaise Nippon Paper Industries fabrique et vend des produits papier à travers différents segments, notamment le papier et la pâte, les produits liés au papier, les produits en bois, les produits liés à la construction, et d’autres.

À la date de rédaction, les actions de la société se négocient à 7,96 $, avec un ratio cours/bénéfice de 3,75 et un ratio prix/ventes de 0,10. Elle verse un rendement de dividende de 0,95 %.

Pour le troisième trimestre de l’exercice 2025, Nippon a déclaré une hausse de 1,3 % du chiffre d’affaires net à 886,3 milliards de yens (5,9 milliards de dollars) malgré une baisse de la demande de papier graphique. Cela était dû à la croissance des ventes de papier ménager, de produits de santé et de produits chimiques. Le résultat d’exploitation a également augmenté de 9,2 % d’une année sur l’autre à 11,1 milliards de yens (74,2 millions de dollars) grâce à la solide performance du secteur énergie.

Le volume des ventes nationales de papier et de carton de Nippon a diminué en raison d’une demande moribonde, tout comme les bénéfices, malgré le prix stable des combustibles comme le charbon. Cela était dû à une hausse des coûts de main‑d’œuvre et de logistique.

L’entreprise a également signalé le renforcement de la compétitivité de ses produits biomasse grâce à la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) à l’usine d’Ishinomaki. La réduction significative a été le résultat de l’arrêt de la chaudière à charbon et de l’installation d’une chaudière de récupération de liqueur noire à haute efficacité.

Conclusion

Dans le domaine du stockage d’énergie et de l’électronique, il existe un besoin de matériaux bon marché et durables. Le plastique, comme nous le savons tous, bien qu’il soit très précieux en raison de sa légèreté, de sa malléabilité et de ses bonnes propriétés isolantes, n’est pas biodégradable et pose d’importants problèmes environnementaux et de santé.

Le bois offre ici une solution naturelle, bon marché, durable et fixant le carbone. Les chercheurs l’ont encore amélioré en y apportant des modifications. Le bois transparent résultant représente une avancée majeure vers des matériaux durables pour l’électronique et le stockage d’énergie. Les recherches les plus récentes vont encore plus loin en utilisant des matériaux naturels comme le blanc d’œuf et l’extrait de riz, démontrant une innovation de pointe qui promet une application quotidienne sans nuire à notre environnement.

À mesure que la recherche sur le bois transparent progresse et voit une mise en œuvre réelle, elle pourra redéfinir l’avenir de l’électronique et du stockage d’énergie en les rendant à la fois high‑tech et respectueux de l’environnement.

Études référencées:

1. Montanari, C., Ogawa, Y., Olsén, P., & Berglund, L. A. (2021). Bois biocomposites haute performance, entièrement biosourcés et optiquement transparents. 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). Un matériau structurel à refroidissement radiatif. Science, 364(6442), 760–763. https://doi.org/10.1126/science.aau9101

3. Rai, R., Ranjan, R., & Dhar, P. (2022, July 22). Évaluation du cycle de vie de la production de bois transparent utilisant des technologies émergentes et un cadre d’extension stratégique. Science of The Total Environment, 846, 157301. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157301