Legno trasparente: innovativo materiale ecologico per la bioedilizia

Il legno trasparente per la bioedilizia è un innovativo materiale ecologico.

Il legno trasparente è un materiale innovativo che diversi studiosi hanno cercato di sviluppare negli ultimi anni per applicazioni nel campo della bioedilizia e non solo. Nel 2016 alcuni ricercatori dell’università del Maryland avevano pubblicato degli studi su clear wood, materiale trasparente ecologico a partire dal legno. Sempre nel 2016 un team di studiosi in Svezia aveva ottenuto un legno trasparente con dei processi chimici diversi. Lo stesso team svedese, dopo anni di perfezionamento nella ricerca, ha recentemente presentato l’ultimo prototipo di legno trasparente, una delle ultime innovazioni sul legno che la scienza offre alla bioedilizia.

Clear wood, il  legno trasparente dell’Università del Maryland - 2016

Nel maggio del 2016 il New York Times e la rivista scientifica di approfondimento Advaced Materials hanno pubblicato uno studio condotto da ricercatori dell’università del Maryland. Gli scienziati statunitensi erano riusciti ad ottenere un legno trasparente, chiamato “clear wood”, prelevando da piccoli campioni il colore e altre sostanze chimiche.

Il legno trasparente clear wood.

II procedimento attraverso il quale si era ricavato il nuovo materiale clear wood si componeva di due fasi. Inizialmente, attraverso una bollitura di circa due ore in acqua contenente idrossido di sodio e altre sostanze, si provocava la perdita di colore. Successivamente la resina epossidica veniva versata sul legno per renderlo più resistente. Alla fine del procedimento, il legno conservava la struttura e i naturali pori. I canali che durante la vita della pianta trasportavano i nutrienti diventavano le vie attraverso le quali si propagava la luce.

Il legno trasparente del team svedese del Royal Institute of Technology - 2016

Gli scienziati del Maryland non sono stati i soli a cercare di ottenere un materiale trasparente dal legno: nello stesso anno gli studiosi del KTH Royal Institute of Technology di Stoccolma, guidati dal prof. Lars Berglund, hanno sviluppato un legno traslucido capace di trasmettere la luce grazie alle modifiche apportate alla struttura nanoscopica del legno, raggiungendo una trasmittanza ottica pari all’85%. Questo risultato era stato ottenuto grazie all’asportazione della lignina (l’elemento che assorbe più luce tra quelli che compongono il legno) dalla struttura molecolare del legno di betulla bianca.

Il legno trasparente KTH di Stoccolma.

Il legno trasparente, le cui proprietà erano regolabili cambiando la frazione volumica della cellulosa, è stato preparato grazie all'efficace riempimento del lume e della rete di fibra di cellulosa con polimetilmetacrilato (PMMA) adattato all'indice di rifrazione.

La sinergia tra legno e il PMMA conferiva al materiale proprietà meccaniche interessanti. Il legno trasparente, leggero e resistente, può infatti reggere pesi rilevanti e può essere utilizzato per edifici leggeri e a basso costo.

Gli sviluppi del legno trasparente in Svezia - 2019

Il legno trasparente frutto della ricerca conclusa nel 2019 è stato presentato il 3 Aprile al congresso Spring 2019 National Meeting & Exposition dell’American Chemical Society (ACS) dallo stesso team del KTH Royal Institute of Technology di Stoccolma guidato dal prof. Lars Berglund che aveva concluso la ricerca nel 2016. Il processo di ottenimento di un materiale ecologico trasparente tramite modifiche alla struttura del legno su micro e nano scala, sviluppato nel 2016, è stato ottimizzato grazie a variazioni che hanno reso il materiale un valido sostituto della plastica, del cemento e del vetro.

La ricerca sul legno trasparente del KTH di Stoccolma del 2016.

Questa evoluzione del legno trasparente, mantiene le caratteristiche iniziali ma riesce anche ad assorbire, conservare e rilasciare il calore. Questo risultato è stato ottenuto grazie all’addizione del glicole polietilenico (PGE), un polimero in grado di conservare il calore nonché un materiale a cambiamento di fase. IL PEG fonde alla temperatura di 26°C e riesce ad accumulare e conservare il calore assorbito, mentre per temperature inferiori ai 26° C si solidifica rilasciando il calore accumulato. L’aver incapsulato il polimero negli incavi della lignina rimossa permette altresì che questo non si disperda da liquido, poiché i pori riescono a intrappolare la sostanza.

L’opacità del materiale è suscettibile a variazioni, infatti il PEG solido conferisce al legno un aspetto più opaco rispetto allo stato liquido.

Il legno trasparente è in tutte le sue parti biodegradabile ad eccezione della sostanza acrilica (PMMA), che serve anche a proteggere il materiale dall’umidità. In ogni caso i ricercatori non escludono la sostituzione dell’acrilico con un polimero di derivazione biologica.

In riferimento all’utilizzo sostitutivo del legno trasparente ai paramenti murari o al vetro degli infissi, questo materiale consente di ottenere risparmi energetici notevoli, mantenendo le temperature interne pressoché costanti, accumulando e conservando il calore esterno durante le ore calde del giorno per poi trasferirlo agli ambienti interni durante la notte.

Applicazioni del legno trasparente

Il legno trasparente è stato individuato, esaminato e testato anche per altre applicazioni al di fuori dal campo edilizio.

L’uso del legno trasparente nei sensori 

Le straordinarie caratteristiche del legno trasparente hanno coadiuvato la progettazione di sensori ad alte prestazioni, flessibili, trasparenti e capaci di condurre energia elettrica. La progettazione di tali sensori è di per sé campo di grande interesse per gli scienziati, sovente però per la fabbricazione di questi dispositivi vengono utilizzati prevalentemente substrati di vetro e plastica che sono cari e inquinanti.

TCW: il legno trasparente e conduttore

In uno studio pubblicato nel marzo del 2019 da un gruppo di ricerca di università cinesi e tedesche, da substrati di legno ed economici polimeri conduttori è stato ottenuto un legno trasparente e conduttore: il TCW (transparent and conductive wood). Il TCW presenta un’elevata trasparenza (90% di trasmittanza ottica), buona elasticità (fattore di stiro maggiore dell’80%) e alta conduttività elettrica (0.16 S m-1). L’orientamento conservato dalle fibre di cellulosa e le forti interazioni tra il modello ricco di cellulosa e il solvente ecosostenibile (PDES) utilizzato nel composto conferiscono al TCW eccellenti proprietà meccaniche.

Il legno trasparente e conduttore TCW.

Il TCW reagisce in maniera estremamente sensibile ad ogni sollecitazione, anche minima, pertanto questo materiale può essere utilizzato per rilevare deboli pressioni. Questo lavoro è un tassello importante sia per la fabbricazione di funzionali materiali compositi che di dispositivi che si configurino come potenziali applicazioni nel campo elettronico per schermi flessibili, sensori di membrane touch ed altro.

Celle fotovoltaiche con legno trasparente

L’alta trasmittanza ottica rende il legno trasparente un candidato ideale per la fabbricazione di dispositivi optoelettronici. Il 18 febbraio di quest’anno il KTH di Stoccolma ha pubblicato i risultati di un nuovo esperimento basato sulla combinazione tra il legno trasparente e le celle fotovoltaiche perovskitiche. Il legno trasparente è un ottimo materiale per contenere i consumi energetici, questo è dovuto alla sua densità (ca. 1.2 g/cmc), a un'alta trasmittanza ottica (più del 85% per 1 mm di spessore) e a una bassa conduttività termica (0.23 W m-1 K-1). In questo lavoro, per la prima volta le celle solari perovskitiche sono state assemblate con successo a bassa temperatura (<150°C) direttamente nei substrati trasparenti del legno. L’efficacia nella conversione della potenza energetica è aumentata del 16.8%. Questa sperimentazione dimostra che l’integrazione tra i due materiali è possibile e apre la strada per l’assimilazione delle celle solari alle strutture di legno trasparente.

Celle fotovoltaiche con legno trasparente.

La fabbricazione di LED con legno trasparente

Uno studio dell’università cinese di Hefei ha ipotizzato l’utilizzo del legno trasparente per la fabbricazione dei LED. Secondo questo studio l’intera composizione dei futuri LED potrebbe essere biodegradabile. Le resine epossidiche (non biodegradabili) sono le principali sostanze utilizzate per l’incapsulazione dei diodi a emissione di luce (light-emitting diodes, i comuni LEDs). Ciò è dovuto alla loro trasparenza, ad appropriate capacità meccaniche di resistenza e ad un eccellente stabilità termica. Lo studio cinese si propone di esplorare la possibilità d’impego di materiali non nocivi per l’ambiente e con performances migliori della resina. Il legno trasparente e il suo elemento nanocomposito da naturali biomasse sono potenzialmente materiali alternativi a quelli inquinanti in uso.

Già nel 2015 la tecnologia dei QLED è stata sottoposta a modifiche da ricercatori dell’università dello Utah. Per renderne le parti facilmente smaltibili, i punti quantici sono stati sostituiti con punti quantici di carbonio (carbon dots-CDs) estratti da scarti di pane e bevande analcoliche zuccherine. I punti quantici di carbonio sono stati poi immersi nelle resine epossidiche di comune uso per la fabbricazione dei QLED.

Il recente studio dell’università cinese mira all’ottimizzazione del processo di smaltimento dei LED sostituendo le resine inquinanti con una pellicola di legno trasparente e mantenendo l’uso delle nanoparticelle di carbonio.

LED con legno trasparente.

Il processo di produzione del legno trasparente additivato con sistemi tricromatici (RGB) è efficace soprattutto per i LEDs di colore bianco.

Un metodo energeticamente efficiente, semplice e non inquinante è stato messo a punto per la preparazione del composto di punti quantici di carbonio e legno trasparente. È stata effettuata l’istantanea asportazione della lignina dal legno attraverso un solvente a eutettico profondo sotto trattamento alle microonde. Successivamente i punti di carbonio (CDs) e l’acido poliacrilico sono stati iniettati nel legno delignificato nella miscela di polimerizzazione. È stata quindi prodotta la pellicola di legno trasparente contenente punti di carbonio multicolore, che mostra emissioni di luce chiara sotto la sollecitazione di luce ultravioletta e che risulta avere anche una maggiore resistenza a tensione (60.92 MPa). Questa pellicola può essere utilizzata come rivestimento per LED di luce bianca producendo eccellenti caratteristiche cromatiche (coordinate di colore tra 0.33 e 0.32, temperatura di colore di 5237 K e indice di resa cromatica pari a 83, in base alla classificazione della Commission International Eclairage).

Il futuro del legno trasparente

La prossima sfida per i ricercatori svedesi, ideatori del legno trasparente capace di assorbire e conservare il calore, sarà quella di fare in modo che il processo di produzione del materiale sia industrialmente sostenibile. La prospettiva è che in cinque anni si possa renderlo disponibile per piccoli interventi di interior design.

Gli scienziati si propongono comunque di migliorarne nei prossimi anni le capacità di conservazione del calore per renderlo ancora più efficiente a livello energetico.

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