Yenilikçi Şeffaf Ahşap, Sürdürülebilir Plastik Alternatifi Sunuyor

En önemli yenilenebilir ve sürdürülebilir kaynaklardan biri odundur. Çevremizde her yerde bulunur ve şaşırtıcı niteliklere sahiptir. Bu dayanıklı ve çok yönlü malzeme, kirletmeyen ve sürdürülebilir bir doğal yalıtkandır.

Odunun, odun yakma, kağıt, inşaat, mobilya, yakıt, aroma ve parfüm gibi çok çeşitli kullanım alanları vardır. Yüzyıllardır insan medeniyeti ve ekonomik gelişim için hayati öneme sahiptir. 

Şimdi, odunu, kullanım alanlarını ve hayatımızdaki önemini herkes biliyor. Ancak odun şeffaf hâle getirilebiliyor. Ağaçlardan elde edilen bu doğal, katı malzeme, odunun temel bileşenleri değiştirilerek şeffaf ahşaba dönüştürülebilir.

Odunun üç ana bileşeni vardır: selüloz, hemiselüloz ve lignin; lignin ve hemiselülozun ikisinin de çıkarılması odunu şeffaf hâle getirir. 

Ligninin koyu rengi karmaşık kromoforlar nedeniyle oluşur. Selüloz ve hemiselüloz ise renksizdir.

Bu bileşenler çıkarıldığında, selülozdan oluşan gözenekli, kağıt benzeri bir ağ kalır. Ardından renksiz bir malzeme bu gözenekleri doldurur ve bir miktar sertlik geri kazandırır. 

Odunun bu büyüleyici dönüşümü, gücünü korurken şeffaf hâle gelmesini sağlayan, yeni bir keşif değildir; onlarca yıl önce keşfedilmiş, ancak sürdürülebilir malzeme araştırmalarında ancak son zamanlarda ilgi görmüştür.

Şeffaf Ahşap: Bilimsel Bir Atılım

Odunun şeffaf bir malzemeye dönüştürülmesi, 1992 yılında Alman bilim insanı Siegfried Fink tarafından başlatıldı.

Fikri, odunsu bitkilerin iç mekanizmalarını kesmeden görmekti. Bu yüzden botanikçi pigmentleri beyazlattı ve şeffaf ahşap oluşturdu.

Fink’in keşfinden bir on yıl sonra bu alanda araştırma yapılmadı, ta ki İsveç’teki KTH Kraliyet Teknoloji Enstitüsü’nden malzeme bilimcisi Lars Berglund şeffaf plastiğe alternatif bir şey yaratmaya baktı.

Şeffaf ahşabı ilk geliştirdikten beş yıl sonra, araştırmacılar başarıyla test etti¹ 2021’de çevre dostu bir alternatif. Alternatif, atık turunçgil kabuğu gibi yenilenebilir sitruslardan üretilen limonen akrilattı.

“Fosil bazlı polimerlerin yerine geçmek, sürdürülebilir şeffaf ahşap üretiminde karşılaştığımız zorluklardan biriydi.”

– Berglund o zaman söyledi

Yeni kompozit, 1,2 mm kalınlıkta %90 optik geçirgenlik ve %30 çok düşük bulanıklık sağladı. Yapısal kullanım için geliştirilen bu malzeme, 17 GPa (yaklaşık 2,5 Mpsi) elastikiyet ve 174 MPa (25,2 ksi) dayanıklılık ile ağır hizmet performansı sergiledi.

KTH Kraliyet Enstitüsü’nün şeffaf ahşaba ilk adım attığı aynı dönemde, Maryland Üniversitesi (UMD) Profesörü Liang Bing Hu, odunun dayanıklılığını kullanmaya ilgi duydu. Şeffaf ahşaba epoksi reçine eklendiğinde, camdan on kat daha dayanıklı ve şeffaf plastiklerden üç kat daha güçlü olduğunu buldular.

2019 yılında UMD araştırmacıları geliştirdi² tamamen delignifikasyon ve odunun yoğunlaştırılması yoluyla doğal odunun sekiz katından fazla, 404,3 megapascal mekanik dayanıklılığa sahip bir yapısal malzeme. Araştırmacılara göre, soğutma odunları %20 ile 60% arasında enerji tasarrufu sağlayabilir.

Şeffaf Ahşabın Araştırmadaki Artan Popülerliği

Son birkaç yılda alanda sürekli ilerlemeler kaydedildiği için şeffaf ahşap artık sadece bilimsel bir yenilik değil. Deneyler meyve vermeye ve laboratuvarların ötesinde potansiyel göstermeye başladıkça nihayet ışık tutuyor.

Şeffaf ahşabın optik, fiziksel ve mekanik özellikleri özellikle çok konuşuluyor. Örneğin, şeffaf ahşap çok güçlü ve aynı zamanda hafiftir.

Ayrıca, şeffaf ahşap camdan çok daha iyi bir yalıtım sağlar, bu da mimaride muazzam faydalar anlamına gelir. Ancak cam, toksik olmaması ve geri dönüşümünün daha kolay olması nedeniyle daha çevre dostu bulunmuştur.

Yine de şeffaf ahşabın birçok çevresel avantajı vardır; diğer bitki bazlı malzemeler gibi. Öncelikle biyobozunur. Sınırsız olarak yetiştirilebilir ve bu yeni büyüme CO₂ yakalar ve depolar, çevreye faydalıdır.

A şeffaf ahşabın yaşam döngüsü değerlendirme çalışması³ yenilenebilir ve biyobozunur özellikleri sayesinde şeffaf ahşabın geleneksel petrol bazlı polimerlerin yerine geçme potansiyeline sahip olduğunu buldu. Ömür sonu (EOL) analizi, polietilene kıyasla ekolojik etkileri (107 kat) önemli ölçüde azalttığını gösterdi.

Araştırma ayrıca, sodyum sülfit, sodyum hidroksit ve hidrojen peroksit kullanılarak delignifikasyon ve epoksi infiltrasyonu ile TW’nin cradle-to-gate analizinin en düşük çevresel etkilere yol açtığını belirtti. 

Kullanım alanlarına gelince, şeffaf ahşap aydınlatma armatürlerinde, akıllı pencerelerde ve hatta akıllı telefonlarda kullanılabilir. Ayrıca mühendisler, elektroniklerin dokunmatik şeffaf ahşap üzerine entegre edilmesiyle otomotiv sektöründe de uygulamalar bulması bekleniyor. 

Bu ahşap için diğer uygulamalar da geliştirilmekte; ahşap temelli ışık yayan diyotlar (LED’ler) ve manyetik nanopartiküller eklenerek elektromanyetik girişime (EMI) karşı koruma gibi. 

Tabii ki, şeffaf ahşabın geniş çapta benimsenmesi hâlâ ölçeklenebilir bir üretim tekniği eksikliği nedeniyle gerçekleşmedi. Ayrıca araştırmacılar, şeffaf ahşap üretiminin sürdürülebilirliğini artırmak için çalışıyor.

Masa ahşabının ahşap gökdelenlerin yolunu nasıl açtığını öğrenmek için buraya tıklayın.

Doğal Malzemeler Kullanarak Güçlü, Şeffaf Ahşap Üretmek 

Araştırmacılar aslında yarı şeffaf ahşap geliştirdi; yumurta akı ve pirinç gibi doğal malzemeler kullanarak, plastiklere dayanıklı, biyobozunur bir alternatif ortaya koydular.

Kennesaw State University (KSU) Kimya profesörü Bharat Baruah, araştırmayı Amerikan Kimya Derneği (ACS) toplantısında sundu. Araştırma, şeffaf ahşap (TW) üretmeyi, elektrik iletkenliği, optik şeffaflık ve esneklik gibi özelliklerle hedefliyor.

Bu özelliklerle ahşap, enerji verimli ve elektrikli cihazlarda kullanılabilir; bu cihazlar hayatımızın vazgeçilmez parçalarıdır.

Sensörler, esnek elektronikler ve enerji depolama cihazları gibi cihazları inşa etmek için ucuz, kolay temin edilebilir ve imalatı basit malzemelere ihtiyaç duyarız. Geleneksel olarak bu rolü plastikler üstlenmiştir, ancak bu biyobozunur olmayan malzemeler yüzlerce yıl çevrede kalır ve ekosisteme zarar verir.

“Modern dünyada plastik her yerde; hatta taşıdığımız cihazlarda bile. Cihazın ömrü bittiğinde sorun ortaya çıkar; biyobozunur değildir. Bu yüzden sordum, doğal ve biyobozunur bir şey yaratabilir miyiz?”

– Baruah

Daha ucuz, kolay temin edilebilir ve elektronik cihazlara kolayca işlenebilen alternatifler bulma amacıyla araştırmacılar doğal olarak oduna yöneldi.

En son çalışmada, araştırmacılar delignifiye edilmiş odunu (DW) biyouyumlu ve biyobozunur bir polimerle impregne ederek şeffaf ahşap (TW) oluşturdu. Bu doğal polimerler şeffaf ahşaba esneklik kattı.

Aynı zamanda, içine gümüş nanotel (AgNWs) eklemek, TW’ye elektrik iletkenliği kazandırdı. Araştırmacıların belirttiği gibi, “değiştirilmiş ahşap, optoelektronik, enerji depolama ve biyomedikal cihazlarda büyük potansiyele sahip olacaktır.”

Bu yenilikçi malzeme, akıllı telefon ekranları ve enerji verimli pencereler gibi ürünlerde plastiklere ekolojik bir alternatif sunarak endüstrileri devrim niteliğinde değiştirme potansiyeline sahiptir. Üç ila beş yıl içinde ticari uygulamaların ortaya çıkması bekleniyor.​

Yeni kimyasal yöntemlerin kauçuğu yüksek değerli reçinelere dönüştürmesine dair bilgi almak için buraya tıklayın.

Şeffaf Ahşabın Kullanım Alanlarını Elektrik İletkenliği Sağlayarak Genişletmek 

Şeffaf ahşaplar, yıllardır geliştirilmekte olsalar da hâlâ güçlendirmek için plastik (epoksi gibi) kullanıyor. Bu yüzden, Baruah odunu sağlam ve zamanla stabil tutmak için doğal malzemeler bulmak zorunda kaldı.

KSU ve hava filtrasyonu üreticisi Purafil tarafından finanse edilen son çalışmada, Baruah balza ağacını kullandı ve lignin ve hemiselülozunu çıkardı. Çıkarma, vakum odası ve seyreltilmiş çamaşır suyu, sodyum hidroksit (kostik bir versiyon) ve delignifiye edici ajan olan sodyum sülfit gibi kimyasallar kullanılarak yapıldı.

Şimdi, gözenekleri doldurmak için yumurta akı ve pirinç özü karışımına batırıldı. Malzemenin şeffaf kalmasını sağlamak için dietilentriamin adlı bir kürleme ajanı da kullanıldı.

Bu reaktiflerin burada az miktarda kullanılması, araştırmacıların belirttiği gibi, çevreye çok az tehlike oluşturur. Özellikle epoksi reçinelerle kullanılan bazı kürleme ajanları toksik olmaları nedeniyle çevresel tehdit oluşturabilir ve uygun şekilde bertaraf edilmezse kirlilik riski taşır. Sonuçta, esnek ve dayanıklı yarı şeffaf ahşap dilimler elde edildi.

Bir sonraki adım, bu mühendislik ahşabının potansiyel uygulamalarını keşfetmekti. Araştırılan kullanım durumlarından biri cam pencere ikamesiydi.

Bunun için Baruah önce bir kuş evini tek pencereli, küçük bir yalıtımlı ev haline getirdi. Enerji verimliliğini test etmek amacıyla kuş evi bir ısı lambasının altına, içinde bir sıcaklık göstergesi yerleştirilerek konuldu. 

Şeffaf ahşap kullanıldığında, ekip, cam kullanıldığından 5‑6 °C (veya 9‑11 °F) daha düşük bir iç sıcaklık bulunduğunu tespit etti. Bu, yeni malzemenin pencerelerde enerji verimli bir cam alternatifi olarak kullanılabilirliğini gösteriyor.

Ekip, TW’nin potansiyel uygulamalarını genişletmek için bazı örneklerde gümüş nanotel ekledi. Gümüş nanotel eklenmesi, elektrik iletkenliği düşük olan ahşabın elektriği iletmesini sağladı. Bu özellik, değiştirilmiş ahşabı güneş hücresi kaplamaları veya giyilebilir sensörler için kullanışlı kılıyor. 

Gümüş nanotel bakteriler gibi canlı organizmalar tarafından parçalanamasa da, ekip, şeffaf ahşaplarının tamamen doğal kalmasını sağlamak için grafen gibi iletken malzemelerle daha fazla deney yapmayı planlıyor. 

Buradaki çalışma henüz tamamlanmadı; ahşapların şeffaflığını artırmak için daha fazla araştırma gerekiyor. Ancak ekip, doğal ve ucuz malzemelerin kullanılmasından elde ettikleri ilk başarıdan heyecan duyuyor. 

“Lisans öğrencilerime, binlerce dolar harcamadan ilginç araştırmalar yapabileceklerini söylemek istiyorum.” 

– Baruah

Nippon Paper Industries Co., Ltd.

Gelişmiş odun bazlı malzemeler geliştirmede lider bir şirket olan Nippon Paper, geleneksel plastiklere sürdürülebilir alternatifler araştırıyor. 

Çevre dostu ürünlerinden biri, alüminyum içermeyen FUJIPAK; içecek kartonu, oda sıcaklığında uzun süre saklanabilir. Alüminyum yerine yenilenebilir biyokütle malzemesi, örneğin bariyer filmi kaplı kağıt karton kullanır. Süt kartonlarıyla aynı toplama yolunu izleyerek geri dönüşüm oranının artması bekleniyor. Ayrıca, alüminyumun çıkarılması, selüloz lifi geri kazanımından sonra polietilenin işlenmesini kolaylaştırıyor.

Diğer ürün School POP®; pipetsiz bir karton olup tek kullanımlık plastikleri günlük hayatta azaltıyor. Nippon’a göre, ürün erken yaşta çevre bilincini artırmaya yardımcı olabilir. Okul sütü için geliştirilmiş ve gıda kaybının önlenmesine katkı sağlıyor. 

SPOPS®, şampuan “yeniden doldurmayı” “değiştirmeyle” ikame eden bir başka Nippon ürünü. Şirket, SPOPS® ile doldurma süresinin %75’e kadar azalttığını belirtiyor; bu işlem pompayı çıkarıp kartuşu değiştirip pompayı yeniden takmayı içeriyor. 

Kağıdı ana malzeme olarak kullanmak, plastik kullanımını %25‑40 azaltıyor; bu da “kullanıcı dostu” ve “çevre dostu” olmasını sağlıyor. Kağıt ürünü olmasına rağmen, SPOPS® yüksek alkol konsantrasyonu ve yüzey aktif maddeler gibi çeşitli sıvıları işleyebildiği için yüksek işlevsellik sunuyor.

Birkaç ay önce, Nippon duyurdu SPOPS işini Güney Kore pazarına, yaşam tarzı markası NOTRAC Inc. ile “ECOJE” markası altında genişlettiğini.

Ardından, %100 odunsu bir malzeme için “kağıt yapım su bazlı kaplama teknolojisi” kullanan SHIELDPLUS® adlı çevre dostu ambalaj malzemesi, Cellenpia® adlı selüloz nanolifi (CNF) nano seviyeye kadar parçalanarak üretilen, MinerPa® adlı benzersiz hamur şekillendirilebilirlik ve çeşitli inorganik fonksiyonlar, laminasyonsuz ambalaj için kullanılabilen ısıya yapışkan Kağıt Lamina® ve çok işlevli karton bazlı su geçirmez astar gibi ürünler bulunuyor.

Nippon ayrıca lignin üreticisi olup, mükemmel özelliklerini kullanan ürünler geliştiriyor. Lignin ürünlerinin dağıtılabilirliği, topaklanma ve şelatlama özellikleri, endüstriyel alanlarda geniş kullanım olanağı sağlıyor.

Bu sürdürülebilir çabaların yanı sıra, Japonya merkezli Nippon Paper Industries, Kağıt ve Selüloz, Kağıt ile ilgili, Odun Ürünleri, İnşaat ile ilgili ve diğer segmentler dahil olmak üzere çeşitli bölümlerden kağıt ürünleri üretip satıyor.

Bu yazının yazıldığı sırada, şirket hisseleri $7.96 fiyatla, P/E oranı 3.75 ve Fiyat‑Satış oranı 0.10 seviyelerinde işlem görüyor. %0.95 temettü verimi ödüyor.

2025 mali yılının üçüncü çeyreği için, Nippon raporladı net satışların %1.3 artarak 886,3 milyar yen ($5.9 milyar) olduğunu; grafik kağıt talebindeki düşüşe rağmen ev kağıdı, sağlık ürünleri ve kimyasallar satışının artması sayesinde. Enerji İşletmesi’ndeki güçlü performans sayesinde işletme geliri de %9.2 artarak 11,1 milyar yen ($74.2 milyon) oldu. 

Nippon’un iç pazarındaki kağıt ve karton ürün satış hacmi, talebin yavaşlaması ve yakıt fiyatlarının (kömür gibi) istikrarlı olması nedeniyle azaldı; aynı zamanda işçilik ve lojistik maliyetlerin artması da etkili oldu.

Şirket ayrıca, Ishinomaki Fabrikası’nda sera gazı (GHG) emisyonlarını azaltarak biyokütle ürünlerinin rekabet gücünü artırdığını bildirdi. Bu önemli azalma, kömür kazanının kapatılması ve yüksek verimli siyah likör geri kazanım kazanının kurulması sonucunda gerçekleşti.

Sonuç

Enerji depolama ve elektronik dünyasında ucuz ve sürdürülebilir malzemelere ihtiyaç var. Plastik, hafif, şekillendirilebilir ve iyi bir yalıtkandır; ancak biyobozunur değildir ve önemli çevre ve sağlık sorunlarına yol açar.

Burada odun, doğal, ucuz, sürdürülebilir ve karbon tutucu bir çözüm sunar. Araştırmacılar, ona yapılan modifikasyonlarla daha da iyileştirdiler. Ortaya çıkan şeffaf ahşap, elektronik ve enerji depolama için sürdürülebilir malzemelere büyük bir adım. En son araştırma, yumurta akı ve pirinç özü gibi doğal malzemeler kullanarak kesintisiz bir yenilik sundu; bu, günlük uygulamalara yol açarken çevremize zarar vermiyor. 

Şeffaf ahşap üzerindeki araştırmalar ilerledikçe ve gerçek dünyada uygulanmaya başladıkça, elektronik ve enerji depolamayı yüksek teknoloji ve çevre sorumluluğu ile yeniden tanımlayabilir.

Referans Alınan Çalışmalar:

1. Montanari, C., Ogawa, Y., Olsén, P., & Berglund, L. A. (2021). Yüksek performanslı, tamamen biyobazlı ve optik olarak şeffaf ahşap biyokompozitler. 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). Radyatif soğutma yapısal malzemesi. Science, 364(6442), 760–763. https://doi.org/10.1126/science.aau9101

3. Rai, R., Ranjan, R., & Dhar, P. (2022, July 22). Ortaya çıkan teknolojiler ve stratejik ölçeklendirme çerçevesi kullanılarak şeffaf ahşap üretiminin yaşam döngüsü değerlendirmesi. Science of The Total Environment, 846, 157301. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157301