martes, abril 23

¿Por qué los científicos están fabricando madera transparente? | Tecnología

Hace 30 años, un botánico alemán tenía un simple deseo: ver el funcionamiento interno de las plantas leñosas sin diseccionarlas. Siegfried Fink consiguió crear madera transparente blanqueando los pigmentos de las células vegetales y publicó su técnica en una revista especializada en tecnología de la madera. El artículo de 1992 fue la última palabra sobre madera transparente durante más de una década, hasta que un investigador llamado Lars Berglund se topó con él.

Berglund se inspiró en el descubrimiento de Fink, pero no por motivos botánicos. El científico de materiales, que trabaja en el Real Instituto de Tecnología KTH de Suecia, se ha especializado en compuestos poliméricos y estaba interesado en crear una alternativa más robusta al plástico transparente. Y no era el único interesado en las virtudes de la madera. Al otro lado del océano, los investigadores de la Universidad de Maryland estaban ocupados en un objetivo relacionado: aprovechar la fuerza de la madera para fines no tradicionales.

Ahora, tras años de experimentos, las investigaciones de estos grupos empiezan a dar sus frutos. La madera transparente podría utilizarse pronto en pantallas superresistentes para teléfonos inteligentes, en lámparas de luz suave e incluso en elementos estructurales, como ventanas que cambian de color.

“Creo sinceramente que este material tiene un futuro prometedor”, afirma Qiliang Fu, nanotecnólogo de la madera de la Universidad Forestal de Nanjing, en China, que trabajó en el laboratorio de Berglund como estudiante de posgrado.

La madera está formada por innumerables pequeños canales verticales, como un apretado conjunto o haz de pajitas unidas con pegamento. Estas células en forma de tubo transportan agua y nutrientes por todo el árbol y, cuando este se tala y la humedad se evapora, quedan bolsas de aire. Para crear madera transparente, los científicos primero tienen que modificar o eliminar el pegamento, llamado lignina, que mantiene unidos los haces de células y proporciona a los troncos y ramas la mayor parte de sus tonos marrones terrosos. Tras blanquear el color de la lignina o eliminarla, queda un esqueleto blanco lechoso de células huecas.

Este esqueleto sigue siendo opaco porque las paredes celulares desvían la luz de forma distinta a como lo hace el aire de las cavidades celulares, un valor denominado índice de refracción. Rellenando las bolsas de aire con una sustancia como la resina epoxi, que desvía la luz en un grado similar al de las paredes celulares, la madera se vuelve transparente.

El material con el que trabajaron los científicos es delgado: suele tener entre un milímetro y un centímetro de grosor. Pero las células crean una robusta estructura de panal, y las diminutas fibras de madera son más resistentes que las mejores fibras de carbono, afirma el científico de materiales Liangbing Hu, que dirige el grupo de investigación sobre madera transparente de la Universidad de Maryland en College Park. Y con la resina añadida, la madera transparente supera al plástico y al vidrio: en las pruebas que miden la facilidad con que los materiales se fracturan o rompen bajo presión, la madera transparente resultó ser unas tres veces más resistente que los plásticos transparentes como el plexiglás y unas 10 veces más que el vidrio.

“Los resultados son asombrosos, que un trozo de madera pueda ser tan resistente como el vidrio”, afirma Hu, que destacó las características de la madera transparente en el Annual Review of Materials Research de 2023.

La madera transparente suele conservar su veta, lo que le confiere una estética natural. Esta pieza, fabricada por científicos de la Universidad de Maryland College Park, se parece al vidrio esmerilado, pero es mejor aislante.HU GROUP / UNIVERSITY OF MARYLAND COLLEGE PARK

El proceso también funciona con madera más gruesa, pero la visión a través de esa sustancia es más borrosa porque dispersa más la luz. En sus estudios originales de 2016, Hu y Berglund descubrieron que las láminas milimétricas de los esqueletos de madera rellenos de resina dejan pasar entre el 80 % y el 90 % de la luz. A medida que el grosor se acerca a un centímetro, el paso de la luz disminuye: el grupo de Berglund reportó que la madera de 3,7 milímetros de grosor —aproximadamente el grosor de dos monedas de cinco céntimos de euro— dejaba pasar solo el 40 % de la luz.

El perfil delgado y la resistencia del material hacen que pueda ser una gran alternativa a los productos fabricados con cortes finos y fáciles de romper de plástico o vidrio, como las pantallas de visualización. La empresa francesa Woodoo, por ejemplo, utiliza un proceso similar de eliminación de la lignina en sus pantallas de madera, pero deja un poco de lignina para crear una estética de color diferente. La empresa está adaptando sus pantallas digitales reciclables y sensibles al tacto a productos como tableros de automóviles y vallas publicitarias.

Pero la mayor parte de la investigación se ha centrado en la madera transparente como elemento arquitectónico, siendo las ventanas un uso especialmente prometedor, afirma Prodyut Dhar, ingeniero bioquímico del Instituto Indio de Tecnología de Benarés. La madera transparente es mucho mejor aislante que el vidrio, por lo que podría ayudar a los edificios a retener el calor o a mantenerlo fuera. Hu y sus colegas también han utilizado alcohol polivinílico, o PVA —un polímero utilizado en pegamentos y envases de alimentos— para infiltrar los esqueletos de madera, haciendo madera transparente que conduce el calor a una velocidad cinco veces menor que la del vidrio, informó el equipo en 2019 en Advanced Functional Materials.

Y los investigadores están ideando otros ajustes para aumentar la capacidad de la madera de retener o liberar calor, lo que sería útil para edificios energéticamente eficientes. Céline Montanari, científica de materiales de los Institutos de Investigación RISE de Suecia, y sus colegas experimentaron con materiales de cambio de fase, que pasan de almacenar a liberar calor cuando cambian de estado sólido a líquido, o viceversa. Al incorporar polietilenglicol, por ejemplo, los científicos descubrieron que su madera podía almacenar calor cuando estaba caliente y liberar calor a medida que se enfriaba, trabajo que publicaron en ACS Applied Materials and Interfaces en 2019.

Se han estudiado varias especies de árboles para fabricar madera transparente, como la balsa, la madera de caucho, el abedul, el pino y el álamo.
Se han estudiado varias especies de árboles para fabricar madera transparente, como la balsa, la madera de caucho, el abedul, el pino y el álamo.Knowable

Por ende, las ventanas de madera transparente serían más resistentes y ayudarían a controlar la temperatura mejor que el cristal tradicional, pero la visión a través de ellas sería brumosa, más parecida a un cristal esmerilado que a una ventana normal. Sin embargo, la nebulosidad podría ser una ventaja si los usuarios desean una luz difusa: como la madera es más gruesa y resistente, podría ser una fuente de luz que a su vez sostiene parte del peso de una edificación, como un techo que proporcionara una luz suave a una habitación, dice Berglund.

Hu y Berglund han seguido jugando con formas de conferir nuevas propiedades a la madera transparente. Hace unos cinco años, Berglund y sus colegas del KTH y el Instituto Tecnológico de Georgia descubrieron que podían imitar las ventanas inteligentes, que pueden cambiar de transparentes a tintadas para bloquear la visibilidad o los rayos del Sol. Los investigadores intercalaron un polímero electrocrómico —una sustancia que puede cambiar de color con la electricidad—entre capas de madera transparente recubiertas de un polímero electrodo para conducir la electricidad. Así se creó un panel de madera que cambia de transparente a magenta cuando los usuarios hacen pasar por él una pequeña corriente eléctrica.

Más recientemente, los dos grupos han centrado su atención en mejorar la sostenibilidad de la producción de madera transparente. Por ejemplo, la resina utilizada para rellenar los andamios de madera suele ser un producto plástico derivado del petróleo, por lo que es mejor evitar su uso, afirma Montanari. Como sustituto, ella y sus colegas inventaron un polímero totalmente biológico, derivado de las cáscaras de cítricos. El equipo combinó primero ácido acrílico y limoneno, una sustancia química extraída de las cáscaras de limón y naranja que se encuentra en los aceites esenciales. Luego impregnaron con él madera delignificada. Incluso con el relleno afrutado, la madera transparente de base biológica mantuvo sus propiedades mecánicas y ópticas, soportando unos 30 megapascales de presión más que la madera normal y transmitiendo alrededor del 90 % de la luz, según informaron los investigadores en 2021 en Advanced Science.

El laboratorio de Hu, por su parte, acaba de publicar en Science Advances un método más ecológico de blanqueo de la lignina basado en el peróxido de hidrógeno y la radiación UV, que reduce aún más la demanda energética de la producción. El equipo cepilló con peróxido de hidrógeno rodajas de madera de entre 0,5 y 3,5 milímetros de grosor y luego las dejó frente a lámparas UV para imitar los rayos del Sol. Los rayos UV blanquearon las partes de la lignina que contienen pigmentos, pero dejaron intactas las partes estructurales, lo que ayudó a conservar más resistencia en la madera.

Científicos pintaron la palabra wood (madera en inglés) sobre una lámina de madera con peróxido de hidrógeno (arriba) y luego aplicaron luz ultravioleta que blanqueó las partes pintadas (centro). La infiltración de epoxi en la madera la hizo transparente (abajo); una lámina con un patrón transparente contrasta las secciones transparentes y opacas.
Científicos pintaron la palabra wood (madera en inglés) sobre una lámina de madera con peróxido de hidrógeno (arriba) y luego aplicaron luz ultravioleta que blanqueó las partes pintadas (centro). La infiltración de epoxi en la madera la hizo transparente (abajo); una lámina con un patrón transparente contrasta las secciones transparentes y opacas. Q. XIA ET AL / SCIENCES ADVANCES 2021

Estos planteamientos más respetuosos con el medio ambiente ayudan a limitar la cantidad de productos químicos tóxicos y polímeros fósiles utilizados en la producción, pero por ahora el vidrio sigue teniendo un menor impacto ambiental al final de su vida útil que la madera transparente, según un análisis de Dhar y sus colegas en Science of the Total Environment. Adoptar sistemas de producción más ecológicos y ampliar la fabricación son dos pasos necesarios para introducir la madera transparente en los principales mercados, dicen los investigadores, pero llevará tiempo. No obstante, confían en que sea posible y creen en su potencial como material sostenible.

“Cuando intentas lograr la sostenibilidad, no solo quieres igualar las propiedades de los materiales de origen fósil”, dice Montanari. “Como científica, quiero superarlo”.

Artículo traducido por Debbie Ponchner.

Este artículo apareció originalmente en Knowable en español, una publicación sin ánimo de lucro dedicada a poner el conocimiento científico al alcance de todos.

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