Innovativt gjennomsiktig tre tilbyr bærekraftig plastalternativ

En av de viktigste fornybare og bærekraftige ressursene er tre. Den er overalt rundt oss og har fantastiske egenskaper. Dette holdbare og allsidige materialet er en naturlig isolator som er ikke‑forurensende og bærekraftig.

Tre har et bredt spekter av bruksområder, fra ved, papir og bygg til møbler, drivstoff, smaksstoffer og dufter. Det har vært avgjørende for menneskelig sivilisasjon og økonomisk utvikling i århundrer. 

Nå er vi alle kjent med tre, dets bruksområder og betydning i våre liv. Men tre kan også gjøres gjennomsiktig. Dette naturlig forekommende, solide materialet avledet fra trær kan omdannes til gjennomsiktig tre ved å erstatte treets nøkkelkomponenter.

Tre har tre hovedkomponenter: cellulose, hemicellulose og lignin, og fjerning av både lignin og hemicellulose gjør treet gjennomsiktig. 

Lignins mørke farge skyldes de komplekse kromoforene. Cellulose og hemicellulose er derimot fargeløse.

Når disse komponentene fjernes, blir det igjen et porøst, papirlignende nettverk av cellulose. Et fargeløst materiale fyller deretter disse porene og gjenoppretter noe stivhet. 

Denne fascinerende transformasjonen av tre, som gjør det gjennomsiktig samtidig som det beholder sin styrke, er ikke ny; den ble først oppdaget for flere tiår siden, men har først nylig fått oppmerksomhet i forskning på bærekraftige materialer.

Gjennomsiktig tre: Et vitenskapelig gjennombrudd

Transformasjonen av tre til et gjennomsiktig materiale ble initiert i 1992 av den tyske forskeren Siegfried Fink.

Ideen var å se de interne mekanismene i trekplantene uten å dissekere dem. Så ble botanikerens pigmenter bleket bort, og resultatet var gjennomsiktig tre.

I over et tiår etter at Fink først gjorde oppdagelsen, ble området ikke forsket på, helt til Lars Berglund, materialforsker ved KTH Royal Institute of Technology i Sverige, undersøkte et alternativ til gjennomsiktig plast.

Fem år etter første utvikling av gjennomsiktig tre, testet forskerne vellykket¹ et miljøvennlig alternativ i 2021. Alternativet var limonenakrylat, som er laget av fornybar sitrus som skallavfall.

«Å erstatte de fossile polymerene har vært en av utfordringene vi har hatt i å lage bærekraftig gjennomsiktig tre.»

– Berglund sa på den tiden

Det nye komposittmaterialet ga en optisk transmisjon på 90 % ved 1,2 mm tykkelse og ekstremt lav tåke på 30 %. Utviklet for strukturell bruk, viste det tungt mekanisk ytelse, med en elastisitet på 17 GPa (ca. 2,5 Mpsi) og styrke på 174 MPa (25,2 ksi).

På omtrent samme tid var professor Liang Bing Hu ved University of Maryland (UMD) interessert i å utnytte treets styrke. De fant at gjennomsiktig tre, når det ble tilsatt epoksyharpiks, var ti ganger mer motstandsdyktig enn glass og tre ganger sterkere enn gjennomsiktige plastmaterialer.

I 2019, UMD‑forskerne utviklet² et strukturelt materiale med en mekanisk styrke på 404,3 megapascal, over åtte ganger så høy som naturlig tre, gjennom fullstendig delignifisering og densifisering av tre. Ifølge forskerne kan deres kjølende tre gi energibesparelser mellom 20 % og 60 %. 

Gjennomsiktig tres økende popularitet i forskning

Med kontinuerlige fremskritt de siste årene er gjennomsiktig tre ikke lenger bare en vitenskapelig nyhet. Det får nå oppmerksomhet ettersom eksperimenter begynner å bære frukt og viser potensial utover laboratoriene.

De optiske, fysiske og mekaniske egenskapene til gjennomsiktig tre, spesielt, skaper mye oppmerksomhet. For eksempel er gjennomsiktig tre svært sterkt og også lett.

Ikke minst er gjennomsiktig tre også mye bedre på isolasjon enn glass, noe som gir enorme fordeler i arkitektur. Imidlertid har glass blitt funnet å være mer miljøvennlig på grunn av at det er giftfritt og lettere å resirkulere.

Likevel har gjennomsiktig tre mange miljøfordeler, akkurat som andre materialer avledet fra planter. For det første er det biologisk nedbrytbart. Det kan også dyrkes uendelig, og denne nye veksten fanger og lagrer CO₂, noe som er gunstig for miljøet.

En livssyklusanalyse av gjennomsiktig tre³ fant at, takket være dets fornybare og biologisk nedbrytbare egenskaper, har gjennomsiktig tre potensial til å erstatte tradisjonelle petroleumsbaserte polymerer. Dens slutt‑liv (EOL)‑analyse viste betydelig reduserte økologiske påvirkninger (107 ganger) sammenlignet med polyetylen.

Studien bemerket videre at «cradle‑to‑gate»-analysen av TW indikerer at delignifisering med natriumsulfit, natriumhydroksid og hydrogenperoksid, sammen med epoksy‑infiltrasjon, gir de laveste miljøpåvirkningene. 

Når det gjelder bruksområder, kan gjennomsiktig tre brukes i lysarmaturer, smarte vinduer og til og med smarttelefoner. Det forventes også å finne anvendelser i bilsektoren med ingeniører som arbeider med å integrere elektronikk i berøringsfølsomt gjennomsiktig tre. 

Andre applikasjoner for dette treet er også under utvikling, inkludert tre‑baserte lys‑emitterende dioder (LED) og skjerming mot elektromagnetisk interferens (EMI) ved å tilsette magnetiske nanopartikler. 

Men selvfølgelig er den brede adopsjonen av gjennomsiktig tre ennå ikke oppnådd på grunn av mangelen på en oppskalert produksjonsteknikk. I tillegg arbeider forskere med å forbedre bærekraften i produksjonen av gjennomsiktig tre.

Klikk her for å lære hvordan massivt tre legger veien for tre‑skyskrapere.

Bruke naturlige materialer for å lage sterkt, gjennomsiktig tre 

Forskerne har faktisk utviklet semi‑gjennomsiktig tre ved hjelp av naturlige materialer som eggehvite og ris, noe som resulterer i et solid, biologisk nedbrytbart alternativ til plast.

Bharat Baruah, professor i kjemi ved Kennesaw State University (KSU), presenterte forskningen på et møte i American Chemical Society (ACS). Forskningen har som mål å lage gjennomsiktig tre (TW) med egenskaper som elektrisk ledningsevne, optisk transparens og fleksibilitet.

Med disse egenskapene kan tre brukes i energieffektive og elektriske enheter, som er uunnværlige deler av livene våre.

For å bygge enheter som sensorer, fleksibel elektronikk og energilagringsenheter, trenger vi billige og lett tilgjengelige materialer som er enkle å fremstille. Tradisjonelt har plast fylt denne rollen, men disse ikke‑nedbrytbare materialene vedvarer i miljøet i hundrevis av år og er også skadelige for økosystemet.

«I dag er plast overalt, også i enhetene vi bærer med oss. Og det blir et problem når enheten når slutten av sin levetid. Den er ikke nedbrytbar. Så jeg spurte meg selv: hva om vi kan lage noe som er naturlig og nedbrytbart i stedet?»

– Baruah

Med målsetningen om å finne alternativer som er billigere, lett tilgjengelige og enkle å fremstille til elektroniske enheter, så forskerne naturlig på tre.

I den siste studien impregnerte forskerne delignifisert tre (DW) med en biokompatibel og biologisk nedbrytbar polymer for å lage gjennomsiktig tre (TW). Disse naturlige polymerene ga fleksibilitet til det gjennomsiktige treet.

Samtidig introduserte innsetting av sølve‑nanotråder (AgNWs) elektrisk ledningsevne til TW. Det resulterende modifiserte treet (MW), ifølge forskerne, «vil ha enormt potensial innen optoelektronikk, energilagring og biomedisinske enheter.»

Dette innovative materialet kan potensielt revolusjonere industrier ved å tilby et miljøvennlig alternativ til plast i produkter som smarttelefon‑skjermer og energieffektive vinduer. Gitt de lovende egenskapene, kan kommersielle applikasjoner forventes å dukke opp i løpet av de neste 3 til 5 år.​

Klikk her for å lære hvordan nye kjemiske metoder hjelper med å konvertere gummi til høyverdi‑resiner.

Utvide bruken av gjennomsiktig tre ved å muliggjøre ledningsevne 

Gjennomsiktige tres, selv om de har vært under utvikling i flere år, bruker fortsatt plast, en form for det (epoksy) for å styrke dem. Dermed måtte Baruah finne naturlige materialer for å holde treet solid og stabilt over tid.

Finansiert av KSU og luftfiltreringsprodusenten Purafil, brukte Baruah i den siste studien balsetre og fjernet lignin og hemicellulose. Fjerningen ble utført i et vakuumkammer med kjemikalier, inkludert fortynnet blekemiddel, natriumhydroksid (en form for lut) og natriumsulfit, som er et delignifiseringsmiddel.

For å fylle porene igjen, ble treet bløtlagt i en blanding av eggehvite og risekstrakt. Et herdemiddel kalt dietylentriamin ble også brukt for å sikre at materialet forblir gjennomsiktig.

Fordi disse reagensene ble brukt i små mengder, sier forskerne at de utgjør liten fare for miljøet. Noen herdemidler, spesielt de som brukes med epoksyharpikser, kan utgjøre miljøtrusler på grunn av toksisiteten, og når de ikke blir riktig avhendet, kan de forurense. Til slutt var det kun fleksible og holdbare semi‑gjennomsiktige treskiver som var igjen.

Neste steg var å utforske potensielle anvendelser for dette konstruerte treet. Ett av brukstilfellene som ble undersøkt, var erstatning av glassvinduer.

For dette renoverte Baruah først et fuglehus til et lite, isolert hjem med ett vindu. For å teste energieffektiviteten ble fuglehuset plassert under en varmelampe med et temperaturmål inne i huset. 

Ved bruk av gjennomsiktig tre fant teamet at temperaturen inne i det lille huset var mellom 5 til 6 °C (eller 9 til 11 °F) kjøligere enn når glass ble brukt. Dette antyder at det nye materialet kan brukes som et energieffektivt alternativ til glass i vinduer.

Teamet inkluderte deretter sølve‑nanotråder i noen prøver for å utvide TWs potensielle anvendelser. Tilsetningen av sølve‑nanotråder gjorde at treet, som er en dårlig leder av elektrisitet, kunne lede strøm. Denne egenskapen gjør det modifiserte treet nyttig for belegg på solceller eller bærbare sensorer. 

Selv om sølve‑nanotråder ikke kan brytes ned av levende organismer som bakterier, planlegger teamet å gjennomføre flere eksperimenter med ledende materialer som grafen for å opprettholde den fulle naturligheten til deres gjennomsiktige tres. 

Arbeidet er imidlertid ikke ferdig, da mer forskning er nødvendig for å forbedre tresens transparens. Teamet er likevel begeistret for sin første prestasjon, som er bruken av naturlige og rimelige materialer. 

«Jeg vil sende en beskjed til mine bachelorstudenter om at de kan gjøre interessant forskning uten å bruke tusenvis av dollar.» 

– Baruah

Nippon Paper Industries Co., Ltd.

En leder innen utvikling av avanserte trebaserte materialer, Nippon Paper utforsker bærekraftige alternativer til tradisjonell plast. 

Et av deres miljøvennlige produkter er Non‑Aluminum FUJIPAK, en drikkekartong som kan lagres i lengre perioder ved romtemperatur. I stedet for aluminium som barriere, bruker den fornybart biomasse‑materiale, som papirboard belagt med barrierefilm. Ved å følge samme innsamlingsvei som melke‑kartonger, forventes resirkuleringsgraden å forbedres. I tillegg gjør fjerning av aluminium det enkelt å bearbeide polyetylen etter gjenvinning av cellulose‑fiberen.

Det andre produktet er School POP®, en stråle‑fri kartong som reduserer engangs‑plast i hverdagen. Ifølge Nippon kan produktet bidra til å øke miljøbevisstheten fra tidlig alder. Det ble utviklet for skole‑melk og bidrar til forebygging av matsvinn. 

SPOPS® er enda et produkt fra Nippon som erstatter sjampo‑«påfylling» med «bytte». Ifølge selskapet reduseres påfyllingstiden med opptil 75 % med SPOPS®, som innebærer å fjerne pumpen, bytte patronen og sette inn pumpen på nytt. 

Bruken av papir som hovedmateriale reduserer plastforbruket med 25 % til 40 %, noe som gjør det både «brukervennlig» og «miljøvennlig». Til tross for at det er et papirprodukt, tilbyr det høy funksjonalitet ettersom SPOPS® kan håndtere ulike væsker som høy‑konsentrasjons‑alkohol og overflateaktive stoffer.

For noen måneder siden kunngjorde Nippon utvidelsen av sin SPOPS‑virksomhet til det søreuropeiske markedet i partnerskap med livsstilsmerket NOTRAC Inc. under merket “ECOJE”.

Deretter finnes det miljøvennlige emballasjematerialer som SHIELDPLUS® som bruker en «papir‑fremstillings‑vannbasert belegg‑teknologi» for 100 % trebasert materiale, cellulose‑nanofiber (CNF) kalt Cellenpia® som lages ved teknologi som bryter ned cellulose‑fiberen til ekstremt små (nano) nivåer, MinerPa® med unik pulp‑formbarhet og ulike uorganiske funksjoner, varme‑forseglet papir Lamina® som kan brukes til emballasje uten laminering, samt deres multifunksjonelle papp‑grunnpapir Waterproof Liner.

Nippon er også en lignin‑produsent som utvikler produkter ved å utnytte lignins fremragende egenskaper. Lignin‑produktenes dispersibilitet, klumping og chelaterende egenskaper gjør dem bredt anvendelige i industrielle felt.

Utover disse bærekraftige innsatsene produserer og selger Nippon Paper Industries, med hovedkontor i Japan, papirprodukter gjennom ulike segmenter, inkludert Paper and Pulp, Paper‑related, Wood Products, Construction‑related og andre.

Per skrivende stund handles selskapets aksjer til $7,96, med en P/E‑ratio på 3,75 og en Price‑to‑Sales‑ratio på 0,10. Det betaler en utbytteavkastning på 0,95 %.

For tredje kvartal av regnskapsåret 2025 rapporterte Nippon en økning på 1,3 % i nettoomsetning til 886,3 milliarder yen ($5,9 milliarder) til tross for en nedgang i etterspørselen etter grafisk papir. Dette skyldtes vekst i salg av husholdnings‑papir, helserelaterte produkter og kjemikalier. Driftsresultatet økte også med 9,2 % år‑over‑år til 11,1 milliarder yen ($74,2 millioner) på grunn av sterk ytelse i Energy Business. 

Nippons innenlandske salgsvolum av papir‑ og papp‑produkter falt på grunn av svak etterspørsel, likt som fortjenesten, til tross for stabile priser på drivstoff som kull. Dette skyldtes økte arbeids‑ og logistikkostnader.

Selskapet rapporterte også at konkurranseevnen til deres biomasse‑produkter ble styrket gjennom reduksjon av klimagass‑utslipp (GHG) ved Ishinomaki‑møllen. Den betydelige reduksjonen var resultatet av stengingen av kull­kjelen og installasjonen av en høyeffektiv svart‑likør‑gjenvinnings­kjel.

Konklusjon

I verden av energilagring og elektronikk er det behov for billige og bærekraftige materialer. Plast, som vi alle vet, er mens den er lett, formbar og en god isolator, ikke‑nedbrytbar og medfører betydelige miljø‑ og helseproblemer.

Her tilbyr tre en naturlig, billig, bærekraftig og karbon‑fiksende løsning. Forskere har gjort den enda bedre ved å modifisere den. Det resulterende gjennomsiktige treet markerer et stort skritt mot bærekraftige materialer for elektronikk og energilagring. Den nyeste forskningen tar det enda videre ved å bruke naturlige materialer som eggehvite og risekstrakt, og demonstrerer en banebrytende innovasjon som lover daglig bruk uten å gå på bekostning av miljøet. 

Etter hvert som forskningen rundt gjennomsiktig tre utvikler seg og ser virkelige implementeringer, kan den redefinere fremtiden for elektronikk og energilagring ved å gjøre den høyteknologisk og miljøansvarlig.

Studier referert:

1. Montanari, C., Ogawa, Y., Olsén, P., & Berglund, L. A. (2021). High performance, fully bio-based, and optically transparent wood biocomposites. 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). A radiative cooling structural material. Science, 364(6442), 760–763. https://doi.org/10.1126/science.aau9101

3. Rai, R., Ranjan, R., & Dhar, P. (2022, July 22). Life cycle assessment of transparent wood production using emerging technologies and strategic scale-up framework. Science of The Total Environment, 846, 157301. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157301