Legno Trasparente Innovativo Offre un Sostituto Sostenibile della Plastica

Una delle risorse rinnovabili e sostenibili più importanti è il legno. È presente ovunque intorno a noi e possiede qualità straordinarie. Questo materiale durevole e versatile è un isolante naturale non inquinante e sostenibile.

Il legno ha una vasta gamma di usi, dal legno da ardere, carta e costruzione ai mobili, combustibile, aromi e fragranze. È stato fondamentale per la civiltà umana e lo sviluppo economico per secoli. 

Ora, tutti conosciamo il legno, i suoi casi d’uso e la sua importanza nelle nostre vite. Ma il legno può anche diventare trasparente. Questo materiale solido, naturalmente presente e derivato dagli alberi, può essere trasformato in legno trasparente sostituendo i componenti chiave del legno.

Il legno ha tre componenti principali: cellulosa, emicellulosa e lignina, e rimuovendo sia la lignina sia l’emicellulosa il legno diventa trasparente. 

Il colore scuro della lignina è dovuto ai complessi cromofori. Cellulosa ed emicellulosa, invece, sono incolori.

Quando questi componenti vengono rimossi, rimane una rete porosa simile alla carta di cellulosa. Un materiale incolore riempie poi quei pori, ripristinando una certa rigidità. 

Questa affascinante trasformazione del legno, che lo rende trasparente mantenendo la sua resistenza, non è recente; è stata scoperta per la prima volta decenni fa, ma solo di recente ha guadagnato attenzione nella ricerca sui materiali sostenibili.

Legno Trasparente: Una Scoperta Scientifica

La trasformazione del legno in un materiale trasparente è stata avviata nel 1992 dallo scienziato tedesco Siegfried Fink.

L’idea era di osservare i meccanismi interni delle piante legnose senza sezionarle. Così, il botanico sbiancò i pigmenti e creò il legno trasparente.

Per più di un decennio dalla scoperta di Fink, nessuna ricerca ha esplorato quest’area, fino a quando Lars Berglund, scienziato dei materiali presso il KTH Royal Institute of Technology in Svezia, ha studiato la creazione di un’alternativa alla plastica trasparente.

Cinque anni dopo aver sviluppato per la prima volta il legno trasparente, i ricercatori testato con successo¹ un’alternativa ecologica nel 2021. L’alternativa era il limonene acrilato, prodotto da agrumi rinnovabili come gli scarti di buccia.

“Sostituire i polimeri a base di combustibili fossili è stata una delle sfide che abbiamo affrontato nella realizzazione di legno trasparente sostenibile.”

– Berglund ha detto all’epoca

Il nuovo composito offriva una trasmittanza ottica del 90% a uno spessore di 1,2 mm e una foschia estremamente bassa del 30%. Sviluppato per uso strutturale, mostrava prestazioni meccaniche robuste, con un’elasticità di 17 GPa (circa 2,5 Mpsi) e una resistenza di 174 MPa (25,2 ksi).

All’incirca nello stesso periodo della prima incursione del KTH Royal Institute nel legno trasparente, il professor Liang Bing Hu dell’Università del Maryland (UMD) era interessato a sfruttare la resistenza del legno. Hanno scoperto che il legno trasparente, quando combinato con resina epossidica, era dieci volte più resiliente del vetro e tre volte più forte delle plastiche trasparenti.

Nel 2019, i ricercatori dell’UMD sviluppato² un materiale strutturale con una resistenza meccanica di 404,3 megapascals, oltre otto volte quella del legno naturale, mediante completa delignificazione e densificazione del legno. Secondo i ricercatori, il loro legno raffreddante può produrre risparmi energetici tra il 20% e il 60%.

La Crescente Popolarità del Legno Trasparente nella Ricerca

Con i continui progressi nel settore negli ultimi anni, il legno trasparente non è più solo una novità scientifica. Sta finalmente guadagnando visibilità mentre gli esperimenti cominciano a dare risultati e a mostrare potenziale oltre i laboratori.

Le proprietà ottiche, fisiche e meccaniche del legno trasparente, in particolare, stanno generando molto interesse. Per esempio, il legno trasparente è molto resistente e anche leggero.

Per non parlare del fatto che il legno trasparente è anche molto più efficace come isolante rispetto al vetro, il che significa enormi vantaggi in architettura. Tuttavia, il vetro è stato ritenuto più ecologico perché non tossico e più facile da riciclare.

Tuttavia, il legno trasparente presenta numerosi vantaggi ambientali, proprio come qualsiasi altro materiale derivato dalle piante. Per cominciare, è biodegradabile. Può anche essere coltivato indefinitamente, e questa nuova crescita cattura e sequestra CO2, rendendolo benefico per l’ambiente.

Uno studio di valutazione del ciclo di vita del legno trasparente³ ha scoperto che, grazie alle sue proprietà rinnovabili e biodegradabili, il legno trasparente ha il potenziale di sostituire i tradizionali polimeri a base di petrolio. La sua analisi di fine vita (EOL) ha mostrato impatti ecologici significativamente ridotti (107 volte) rispetto al polietilene.

Lo studio ha inoltre osservato che l’analisi cradle-to-gate del legno trasparente indica che la delignificazione usando solfito di sodio, idrossido di sodio e perossido di idrogeno, insieme all’infiltrazione di epossidica, porta ai più bassi impatti ambientali. 

Per quanto riguarda i casi d’uso, il legno trasparente può essere impiegato in apparecchi di illuminazione, finestre intelligenti e persino negli smartphone. Si prevede anche che trovi applicazioni nel settore automobilistico, con ingegneri che lavorano all’integrazione di elettronica in legno trasparente sensibile al tocco. 

Altre applicazioni per questo legno sono in fase di sviluppo, inclusi LED basati su legno e schermature contro le interferenze elettromagnetiche (EMI) aggiungendo nanoparticelle magnetiche. 

Ma naturalmente, l’adozione su larga scala del legno trasparente non è ancora stata raggiunta a causa della mancanza di una tecnica di fabbricazione su scala. Inoltre, i ricercatori stanno lavorando per migliorare la sostenibilità della produzione di legno trasparente.

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Utilizzare Materiali Naturali per Realizzare Legno Trasparente e Resistente 

I ricercatori hanno effettivamente sviluppato legno semitrasparente utilizzando materiali naturali come albumi d’uovo e riso, ottenendo un’alternativa robusta e biodegradabile alle plastiche.

Bharat Baruah, professore di chimica presso la Kennesaw State University (KSU), ha presentato la ricerca in una riunione dell’American Chemical Society (ACS). La ricerca mira a creare legno trasparente (TW) con proprietà come conduttività elettrica, trasparenza ottica e flessibilità.

Con queste proprietà, il legno può essere utilizzato in dispositivi a risparmio energetico ed elettrici, che sono parti indispensabili della nostra vita.

Per costruire dispositivi come sensori, elettronica flessibile e dispositivi di accumulo energetico, abbiamo bisogno di materiali economici e facilmente disponibili, facili da fabbricare. Tradizionalmente, le plastiche hanno svolto questo ruolo, ma questi materiali non biodegradabili non solo persistono nell’ambiente per centinaia di anni, ma sono anche dannosi per l’ecosistema.

“Al giorno d’oggi, la plastica è ovunque, inclusi i dispositivi che portiamo con noi. Ed è un problema quando arriviamo alla fine della vita di quel dispositivo. Non è biodegradabile. Quindi mi sono chiesto, e se potessimo creare qualcosa di naturale e biodegradabile invece?”

– Baruah

Con l’obiettivo di trovare alternative più economiche, facilmente disponibili e facili da fabbricare in dispositivi elettronici, i ricercatori hanno naturalmente guardato al legno.

Nello studio più recente, i ricercatori hanno impregnato il legno delignificato (DW) con un polimero biocompatibile e biodegradabile per creare legno trasparente (TW). Questi polimeri naturali hanno aggiunto flessibilità al legno trasparente.

Nel frattempo, l’incorporazione di nanofili d’argento (AgNWs) ha introdotto conduttività elettrica al TW. Il legno modificato (MW) risultante, secondo i ricercatori, “avrebbe un enorme potenziale in optoelettronica, accumulo di energia e dispositivi biomedicali.”

Questo materiale innovativo può potenzialmente rivoluzionare le industrie fornendo un sostituto ecologico per le plastiche in prodotti come schermi di smartphone e finestre a risparmio energetico. Con le sue proprietà promettenti, ci si può attendere l’emergere di applicazioni commerciali nei prossimi 3-5 anni.​

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Espandere le Applicazioni del Legno Trasparente Abilitando la Conducibilità 

I legni trasparenti, sebbene siano in sviluppo da anni, utilizzano ancora plastica, una sua forma (epossidi), per rinforzarli. Quindi, Baruah ha dovuto trovare materiali naturali per mantenere il legno robusto e stabile nel tempo.

Finanziato da KSU e dal produttore di filtrazione dell’aria Purafil, nello studio più recente, Baruah ha utilizzato legno di balsa e ha rimosso la sua lignina e emicellulosa. La rimozione è avvenuta usando una camera a vuoto e sostanze chimiche, tra cui candeggina diluita, idrossido di sodio (una forma di soda caustica) e solfito di sodio, che è un agente delignificante.

Ora, per riempire i pori, è stato immerso in una miscela di albume d’uovo e estratto di riso. È stato anche usato un agente di indurimento chiamato dietilentriammina per garantire che il materiale rimanga trasparente.

Poiché questi reagenti sono stati usati in piccole quantità, i ricercatori affermano che rappresentano poco pericolo per l’ambiente. Alcuni agenti di indurimento, specialmente quelli usati con resine epossidiche, possono rappresentare minacce ambientali a causa della loro tossicità e, se non smaltiti correttamente, possono inquinare. Alla fine, sono rimaste solo fette di legno semitrasparente flessibili e durevoli.

Il passo successivo è stato esplorare le potenziali applicazioni per questo legno ingegnerizzato. Uno dei casi d’uso investigati è stata la sostituzione delle finestre in vetro.

Per questo, Baruah ha prima ristrutturato una casetta per uccelli trasformandola in una piccola casa isolata con una finestra. Per testare l’efficienza energetica, la casetta è stata posta sotto una lampada riscaldante con un termometro all’interno. 

Utilizzando il legno trasparente, il team ha riscontrato che la temperatura all’interno della piccola casa era tra 5 e 6 gradi Celsius (o 9-11 gradi Fahrenheit) più fresca rispetto all’uso del vetro. Questo suggerisce l’utilità del nuovo materiale come alternativa a risparmio energetico al vetro nelle finestre.

Il team ha poi aggiunto nanofili d’argento in alcuni campioni per ampliare le potenziali applicazioni del TW. L’aggiunta di nanofili d’argento ha permesso al legno, un cattivo conduttore di elettricità, di condurre elettricità. Questa proprietà rende il legno modificato utile per rivestimenti di celle solari o sensori indossabili. 

Sebbene i nanofili d’argento non possano essere decomposti da organismi viventi come i batteri, il team prevede di condurre ulteriori esperimenti usando materiali conduttivi come il grafene per mantenere la totale naturalità dei loro legni trasparenti. 

Il lavoro non è ancora terminato, poiché è necessaria ulteriore ricerca per migliorare la trasparenza dei legni. Tuttavia, il team è entusiasta del loro risultato iniziale, che è l’uso di materiali naturali ed economici. 

“Voglio trasmettere ai miei studenti universitari che è possibile fare ricerche interessanti senza spendere migliaia di dollari.” 

– Baruah

Nippon Paper Industries Co., Ltd.

Leader nello sviluppo di materiali avanzati a base di legno, Nippon Paper sta esplorando alternative sostenibili alle plastiche tradizionali. 

Uno dei suoi prodotti ecologici include Non-Aluminum FUJIPAK, una confezione per bevande che può essere conservata a temperatura ambiente per un periodo prolungato. Invece di usare alluminio per lo strato barriera, utilizza materiale biomassa rinnovabile, come cartone rivestito con film barriera. Seguendo lo stesso percorso dei cartoni per latte per la raccolta, si prevede un miglioramento del tasso di riciclo. Inoltre, rimuovendo l’alluminio, è più facile processare il polietilene dopo il recupero della fibra di cellulosa.

L’altro prodotto è School POP®, un cartone senza cannucce che riduce le plastiche monouso nella vita quotidiana. Secondo Nippon, il prodotto può aiutare a sensibilizzare l’ambiente fin dalla giovane età. È stato sviluppato per il latte scolastico e contribuisce alla prevenzione della perdita di cibo. 

SPOPS® è un altro prodotto di Nippon che sostituisce il “riempimento” dello shampoo con il “sostituzione”. Secondo l’azienda, il tempo di riempimento è ridotto fino al 75% con SPOPS®, che prevede la rimozione della pompa, la sostituzione della cartuccia e l’inserimento della pompa. 

L’uso della carta come materiale principale riduce l’uso di plastica dal 25% al 40%, rendendolo sia “user friendly” che “environmentally friendly”. Nonostante sia un prodotto di carta, offre alta funzionalità poiché SPOPS® può gestire una varietà di liquidi come alcol ad alta concentrazione e tensioattivi.

Qualche mese fa, Nippon annunciato l’espansione della sua attività SPOPS nel mercato sudcoreano in partnership con il brand lifestyle NOTRAC Inc. sotto il marchio “ECOJE”.

Poi ci sono i materiali di imballaggio ecologici chiamati SHIELDPLUS® che utilizzano una “tecnologia di rivestimento a base d’acqua per la produzione di carta” per un materiale al 100% legnoso, nanofibre di cellulosa (CNF) chiamate Cellenpia® create con una tecnologia che scompone la fibra di cellulosa a livelli estremamente piccoli (nano), MinerPa® con una modellabilità unica della polpa e varie funzioni inorganiche, carta termoretraibile Lamina® che può essere usata per imballaggi senza laminazione, e il suo cartone multifunzionale Waterproof Liner.

Nippon è anche un produttore di lignina che sviluppa prodotti sfruttando le sue eccellenti proprietà. La disperdibilità, la tendenza all’agglomerazione e le proprietà chelanti dei prodotti a base di lignina li rendono ampiamente utilizzabili nei settori industriali.

Oltre a questi sforzi sostenibili, la Nippon Paper Industries con sede in Giappone produce e vende prodotti di carta attraverso diversi segmenti, tra cui Carta e Polpa, Prodotti correlati alla carta, Prodotti in legno, Settore delle costruzioni e altri.

Al momento della stesura, le azioni della società sono scambiate a $7,96, con un rapporto P/E di 3,75 e un rapporto Price-to-Sales di 0,10. Paga un rendimento da dividendo dello 0,95%.

Per il terzo trimestre dell’anno finanziario 2025, Nippon riportato un aumento dell’1,3% nelle vendite nette a 886,3 miliardi di yen ($5,9 miliardi) nonostante una diminuzione della domanda di carta grafica. Ciò è stato dovuto alla crescita delle vendite di carta per uso domestico, prodotti sanitari e chimici. Il reddito operativo è aumentato del 9,2% su base annua a 11,1 miliardi di yen ($74,2 milioni) grazie alla forte performance del Business Energia. 

Il volume delle vendite domestiche di carta e cartone di Nippon è diminuito a causa di una domanda debole, così come i profitti, nonostante il prezzo stabile dei combustibili come il carbone. Questo è stato dovuto a un aumento dei costi del lavoro e della logistica.

L’azienda ha anche segnalato il rafforzamento della competitività dei suoi prodotti a base di biomassa riducendo le emissioni di gas serra (GHG) allo Ishinomaki Mill. La riduzione significativa è stata il risultato della chiusura della caldaia a carbone e dell’installazione di una caldaia di recupero di liquore nero ad alta efficienza.

Conclusione

Nel mondo dell’accumulo di energia e dell’elettronica, c’è bisogno di materiali economici e sostenibili. La plastica, come tutti sappiamo, è molto preziosa per la sua leggerezza, modellabilità e buona capacità isolante, ma è non biodegradabile e comporta significativi problemi ambientali e di salute.

Qui, il legno offre una soluzione naturale, economica, sostenibile e che fissa il carbonio. I ricercatori l’hanno migliorato ulteriormente apportando modifiche. Il legno trasparente risultante rappresenta un grande passo verso materiali sostenibili per l’elettronica e l’accumulo di energia. La ricerca più recente lo porta oltre usando materiali naturali come albumi d’uovo ed estratto di riso, dimostrando un’innovazione all’avanguardia che promette applicazioni quotidiane senza sacrificare l’ambiente. 

Man mano che la ricerca sul legno trasparente avanza e vede implementazioni nel mondo reale, può ridefinire il futuro dell’elettronica e dell’accumulo di energia rendendoli ad alta tecnologia e responsabili dal punto di vista ambientale.

Studi Citati:

1. Montanari, C., Ogawa, Y., Olsén, P., & Berglund, L. A. (2021). Compositi in legno ad alte prestazioni, completamente bio-based e otticamente trasparenti. 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 materiale strutturale a raffreddamento radiativo. Science, 364(6442), 760–763. https://doi.org/10.1126/science.aau9101

3. Rai, R., Ranjan, R., & Dhar, P. (2022, July 22). Valutazione del ciclo di vita della produzione di legno trasparente usando tecnologie emergenti e quadro strategico di scala. Science of The Total Environment, 846, 157301. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157301