Innovativt transparent trä erbjuder hållbart plastalternativ

Ett av de viktigaste förnybara och hållbara resurserna är trä. Det finns överallt omkring oss och har fantastiska egenskaper. Detta hållbara och mångsidiga material är en naturlig isolator som är icke‑förorenande och hållbart.

Trä har ett brett spektrum av användningsområden, från ved, papper och byggnation till möbler, bränsle, smaksättningar och dofter. Det har varit avgörande för mänsklig civilisation och ekonomisk utveckling i århundraden. 

Nu är vi alla bekanta med trä, dess användningsområden och dess betydelse i våra liv. Men trä kan även göras transparent. Detta naturligt förekommande, solida material som härrör från träd kan omvandlas till transparent trä genom att ersätta träs nyckelkomponenter.

Trä har tre huvudkomponenter: cellulosa, hemicellulosa och lignin, och att avlägsna både lignin och hemicellulosa gör trä transparent. 

Lignins mörka färg beror på de komplexa kromoforerna. Cellulosa och hemicellulosa är däremot färglösa.

När dessa komponenter avlägsnas blir ett poröst, papperslikt nätverk av cellulosa kvar. Ett färglöst material fyller sedan i dessa porer och återställer viss styvhet. 

Denna fascinerande omvandling av trä, som gör den transparent samtidigt som den behåller sin styrka, är inte ny; den upptäcktes för decennier sedan, men har först på senare tid fått genomslag inom hållbar materialforskning.

Transparent Wood: Ett vetenskapligt genombrott

Omvandlingen av trä till ett transparent material initierades 1992 av den tyske forskaren Siegfried Fink.

Idén var att se de interna mekanismerna i träväxter utan att dissekera dem. Så blekte botanisten bort pigmenten och skapade transparent trä.

I över ett decennium efter Finks första upptäckt utforskades området inte av någon forskning, tills Lars Berglund, materialvetenskapsman vid KTH Royal Institute of Technology i Sverige, undersökte att skapa ett alternativ till transparent plast.

Fem år efter den första utvecklingen av transparent trä, forskarna framgångsrikt testade¹ ett miljövänligt alternativ år 2021. Alternativet var limonenacrylat, som tillverkas av förnybar citrus som skalavfall.

“Att ersätta de fossila polymererna har varit en av de utmaningar vi har haft i arbetet med att göra transparent trä hållbart.”

– Berglund sade då

Det nya kompositet erbjöd en optisk transmittans på 90 % vid 1,2 mm tjocklek och extremt låg dimma på 30 %. Utvecklat för strukturell användning, visade det tung mekanisk prestanda, med en elasticitet på 17 GPa (cirka 2,5 Mpsi) och en styrka på 174 MPa (25,2 ksi).

Samtidigt som KTH:s första satsning på transparent trä pågick, var professor Liang Bing Hu vid University of Maryland (UMD) intresserad av att utnyttja träs styrka. De fann att transparent trä, när det kombineras med epoxiharts, var tio gånger mer motståndskraftigt än glas och tre gånger starkare än transparent plast.

2019 UMD‑forskare utvecklade² ett strukturellt material med en mekanisk styrka på 404,3 megapascal, över åtta gånger så hög som naturligt trä, genom fullständig delignifiering och densifiering av trä. Enligt forskarna kan deras kylande trä ge energibesparingar mellan 20 % och 60 %.

Transparent Wood: Ökad popularitet i forskningen

Med kontinuerliga framsteg inom området de senaste åren är transparent trä inte längre bara en vetenskaplig nyhet. Det får nu äntligen rampljuset när experiment börjar bära frukt och visar potential bortom laboratorier.

De optiska, fysiska och mekaniska egenskaperna hos transparent trä, i synnerhet, skapar mycket uppståndelse. Till exempel är transparent trä mycket starkt och dessutom lätt.

Inte att förglömma är att transparent trä också är mycket bättre på isolering än glas, vilket innebär enorma fördelar inom arkitektur. Dock har glas visat sig vara mer miljövänligt eftersom det är icke‑giftigt och lättare att återvinna.

Ändå har transparent trä många miljöfördelar, precis som alla andra material som härrör från växter. För det första är det biologiskt nedbrytbart. Det kan också odlas oändligt, och denna nya tillväxt fångar och binder koldioxid, vilket är gynnsamt för miljön.

En livscykelbedömningsstudie av transparent trä³ visade att tack vare dess förnybara och biologiskt nedbrytbara egenskaper har transparent trä potential att ersätta traditionella petroleumbaserade polymerer. Dess analys av slutliv (EOL) visade betydligt minskade ekologiska effekter (107‑faldigt) jämfört med polyeten.

Studien noterade vidare att cradle‑to‑gate‑analysen av TW indikerar att delignifiering med natriumsulfit, natriumhydroxid och väteperoxid, tillsammans med epoxiinfiltration, ger de lägsta miljöpåverkan.

När det gäller användningsområden kan transparent trä användas i belysningsarmaturer, smarta fönster och till och med dina smartphones. Det förväntas också hitta tillämpningar inom fordonssektorn där ingenjörer arbetar med att integrera elektronik i beröringskänsligt transparent trä.

Andra tillämpningar för detta trä är också under utveckling, inklusive träbaserade lysdioder (LED) och avskärmning mot elektromagnetisk interferens (EMI) genom att tillsätta magnetiska nanopartiklar.

Men naturligtvis har den breda antagandet av transparent trä ännu inte uppnåtts på grund av avsaknaden av en skalerad tillverkningsteknik. Dessutom arbetar forskare med att förbättra hållbarheten i produktionen av transparent trä.

Klicka här för att lära dig hur massivt trä banar vägen för träskyskrapor.

Användning av naturliga material för att göra starkt, transparent trä 

Forskare har faktiskt utvecklade halvtransparent trä med naturliga material som äggvitor och ris, vilket resulterade i ett robust, biologiskt nedbrytbart alternativ till plast.

Bharat Baruah, professor i kemi vid Kennesaw State University (KSU), presenterade forskningen vid ett möte för American Chemical Society (ACS). Forskningsmålet är att skapa transparent trä (TW) med egenskaper som elektrisk ledningsförmåga, optisk transparens och flexibilitet.

Med dessa egenskaper kan trä användas i energieffektiva och elektriska enheter, som är oumbärliga delar av våra liv.

För att bygga enheter såsom sensorer, flexibel elektronik och energilagringsenheter behöver vi billiga och lättillgängliga material som är enkla att tillverka. Traditionellt har plast fyllt denna roll, men dessa icke‑nedbrytbara material bestå i hundratals år i miljön och är dessutom skadliga för ekosystemet.

“I dagens samhälle finns plast överallt, även i de enheter vi bär med oss. Och det blir ett problem när vi når slutet av en enhets livslängd. Det är inte biologiskt nedbrytbart. Så jag frågade mig, vad om vi kan skapa något som är naturligt och biologiskt nedbrytbart istället?”

– Baruah

Med målet att hitta alternativ som är billigare, lättillgängliga och enkla att tillverka till elektroniska enheter, tittade forskarna naturligt på trä.

I den senaste studien impregnerade forskarna den delignifierade träet (DW) med en biokompatibel och biologiskt nedbrytbar polymer för att skapa transparent trä (TW). Dessa naturliga polymerer tillförde flexibilitet till det transparenta träet.

Samtidigt introducerade införlivandet av silvernanotrådar (AgNWs) elektrisk ledningsförmåga till TW. Det resulterande modifierade träet (MW), enligt forskarna, “skulle ha enorm potential inom optoelektronik, energilagring och biomedicinska enheter.”

Detta innovativa material kan potentiellt revolutionera industrier genom att erbjuda ett miljövänligt alternativ till plast i produkter som smartphoneskärmar och energieffektiva fönster. Med sina lovande egenskaper kan kommersiella tillämpningar förväntas dyka upp inom de kommande 3 till 5 åren.​

Klicka här för att lära dig hur nya kemiska metoder hjälper till att omvandla gummi till högvärdiga hartsprodukter.

Utökning av transparent trä:s användningsområden genom att möjliggöra ledningsförmåga 

Transparent trä, som redan har utvecklats i flera år, använder fortfarande plast, en form av den (epoxier) för att stärka dem. Så var Baruah tvungen att hitta naturliga material för att hålla träet robust och stabilt över tid.

Finansierad av KSU och luftfiltreringsföretaget Purafil, använde Baruah i den senaste studien balsaträ och avlägsnade dess lignin och hemicellulosa. Avlägsnandet gjordes med en vakuumkammare och kemikalier, inklusive utspädd blekmedel, natriumhydroxid (en form av lut) och natriumsulfit, som är ett delignifieringsmedel.

För att åter fylla porerna doppades det i en blandning av äggvita och risextrakt. Ett härdningsmedel kallat dietylentriamin användes också för att säkerställa att materialet förblir genomskinligt.

Eftersom dessa reagenser användes i små mängder här, säger forskarna att de utgör liten fara för miljön. Vissa härdningsmedel, särskilt de som används med epoxiharts, kan utgöra miljöhot på grund av deras toxicitet, och när de inte avfalls­hanteras korrekt kan de förorena. I slutändan var det bara flexibla och hållbara halvtransparenta träskivor som återstod.

Nästa steg var att utforska potentiella tillämpningar för detta konstruerade trä. Ett av de undersökta användningsfallen var ersättning av glasfönster.

För detta renoverade Baruah först ett fågelholk till ett litet, isolerat hem med ett fönster. För att testa dess energieffektivitet placerades fågelholken under en värmelampa med en temperaturmätare inuti. 

När de använde transparent trä fann teamet att temperaturen inne i det lilla huset var 5 till 6 °C (eller 9 till 11 °F) lägre än när glas användes. Detta tyder på att det nya materialet kan fungera som ett energieffektivt alternativ till glas i fönster.

Teamet inkluderade sedan silvernanotrådar i vissa prover för att utöka TW:s potentiella tillämpningar. Tillsatsen av silvernanotrådar gjorde att träet, som är en dålig ledare av elektricitet, kunde leda elektricitet. Denna egenskap gör det modifierade träet användbart för beläggningar på solceller eller bärbara sensorer. 

Även om silvernanotrådar inte kan brytas ner av levande organismer som bakterier, planerar teamet att genomföra ytterligare experiment med ledande material som grafen för att behålla den fulla naturligheten i deras transparenta trä.

Arbetet är dock inte färdigt, eftersom mer forskning krävs för att förbättra träets transparens. Trots detta är teamet entusiastiskt över sin initiala prestation, som är användningen av naturliga och billiga material. 

“Jag vill skicka ett budskap till mina grundutbildningsstudenter att man kan göra intressant forskning utan att spendera tusentals dollar.” 

– Baruah

Nippon Paper Industries Co., Ltd.

En ledare i utvecklingen av avancerade träbaserade material, Nippon Paper utforskar hållbara alternativ till traditionell plast. 

En av deras miljövänliga produkter är Non‑Aluminum FUJIPAK, en dryckeskartong som kan lagras under en längre period vid rumstemperatur. Istället för att använda aluminium som barriärlager använder den förnybart biomassa‑material, såsom kartong belagd med barriärfilm. Genom att följa samma återvinningsväg som mjölkkartonger förväntas återvinningsgraden förbättras. Dessutom gör borttagandet av aluminium det enkelt att bearbeta polyeten efter återvinning av cellulosa‑fibrer.

Den andra produkten är School POP®, en kartong utan sugrör som minskar engångsplast i vardagen. Enligt Nippon kan produkten hjälpa till att öka miljömedvetenheten redan i tidig ålder. Den utvecklades för skolmjölk och bidrar till att förebygga matsvinn. 

SPOPS® är ännu en produkt från Nippon som ersätter “påfyllning” av schampo med “byte”. Enligt företaget minskar påfyllningstiden med upp till 75 % med SPOPS®, vilket innebär att pumpen tas bort, patronen byts och pumpen sätts in igen. 

Användningen av papper som huvudmaterial minskar samtidigt plastanvändningen med 25 % till 40 %, vilket gör det både “användarvänligt” och “miljövänligt”. Trots att det är en papperprodukt erbjuder den hög funktionalitet då SPOPS® kan hantera olika vätskor som högkoncentrerad alkohol och ytaktiva ämnen.

För några månader sedan, Nippon annonserade expansionen av sin SPOPS‑verksamhet på den sydkoreanska marknaden i samarbete med livsstilsvarumärket NOTRAC Inc. under varumärket “ECOJE”.

Sedan finns det miljövänliga förpackningsmaterial som heter SHIELDPLUS® som använder en “pappersbaserad vattenbaserad beläggningsteknik” för ett 100 % träbaserat material, cellulosa‑nanofiber (CNF) kallad Cellenpia® som skapas med teknik som bryter ner cellulosa‑fibrer till extremt små (nano) nivåer, MinerPa® med unik massaformbarhet och olika oorganiska funktioner, värmeförseglat papper Lamina® som kan användas för förpackning utan lamineringsprocess, samt dess multifunktionella kartongbaserade baspapper Waterproof Liner.

Nippon är också en lignintillverkare som utvecklar produkter genom att utnyttja dess utmärkta egenskaper. Ligninprodukters dispergerbarhet, klumpning och komplexeringsförmåga gör dem brett användbara inom industriella områden.

Förutom dessa hållbara insatser tillverkar och säljer Nippon Paper Industries, med huvudkontor i Japan, papperprodukter genom olika segment, inklusive Papper och massa, Papper‑relaterat, Träprodukter, Bygg‑relaterat och andra.

Vid skrivande stund handlas företagets aktier till $7,96, med ett P/E‑tal på 3,75 och ett pris‑till‑försäljning‑förhållande på 0,10. Det betalar en utdelningsavkastning på 0,95 %.

För tredje kvartalet av räkenskapsåret 2025, Nippon rapporterade en ökning med 1,3 % i nettoomsättningen till 886,3 miljard yen ($5,9 miljard) trots en minskning i efterfrågan på grafisk papper. Detta berodde på ökad försäljning av hushållspapper, hälso‑ och sjukvårdsprodukter samt kemikalier. Rörelseresultatet ökade också med 9,2 % år‑till‑år till 11,1 miljard yen ($74,2 miljon) tack vare stark prestation i energiverksamheten. 

Nippons inhemska försäljningsvolym av papper och kartong minskade på grund av svag efterfrågan, liksom vinsterna, trots stabila bränslepriser som kol. Detta berodde på ökade kostnader för arbetskraft och logistik.

Företaget rapporterade också att de stärkte konkurrenskraften för sina biomassa‑produkter genom att minska växthusgasutsläppen (GHG) vid Ishinomaki‑verket. Den betydande minskningen berodde på avstängning av kolpannan och installation av en hög‑effektiv återvinningspanna för svartlut.

Slutsats

I världen för energilagring och elektronik finns ett behov av billiga och hållbara material. Plast, som vi alla vet, är mycket värdefullt på grund av sin lättvikt, formbarhet och goda isoleringsförmåga, men är icke‑nedbrytbart och medför betydande miljö‑ och hälsoproblem.

Här erbjuder trä en naturlig, billig, hållbar och koldioxidbindande lösning. Forskare har gjort det ännu bättre genom att modifiera det. Det resulterande transparenta träet markerar ett stort steg mot hållbara material för elektronik och energilagring. Den senaste forskningen tar det ännu längre genom att använda naturliga material som äggvitor och risextrakt, vilket demonstrerar en banbrytande innovation som lovar vardaglig tillämpning utan att belasta vår miljö. 

Allteftersom forskningen kring transparent trä fortskrider och ser verklig implementering, kan den omdefiniera framtiden för elektronik och energilagring genom att göra den högteknologisk och miljöansvarig.

Studier som refereras:

1. Montanari, C., Ogawa, Y., Olsén, P., & Berglund, L. A. (2021). Högpresterande, helt biobaserade och optiskt transparenta träkompositer. 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). Ett strålningskylande strukturellt material. Science, 364(6442), 760–763. https://doi.org/10.1126/science.aau9101

3. Rai, R., Ranjan, R., & Dhar, P. (2022, July 22). Livscykelbedömning av produktion av transparent trä med hjälp av framväxande teknologier och strategisk uppskalningsram. Science of The Total Environment, 846, 157301. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157301