Деревянные дома могут казаться устаревшими по сравнению с современной архитектурой, но специально обработанный тип древесины может стать модным строительным материалом завтрашнего дня. Сегодня ученые сообщают о новом виде прозрачной древесины, которая не только пропускает свет, но также поглощает и выделяет тепло, потенциально экономя на затратах энергии.
Материал может выдерживать большие нагрузки и является биоразлагаемым, открывая возможности его использования в экологически чистых зданиях.
Исследователи представят свои результаты сегодня на Национальном собрании и выставке Американского химического общества (ACS) весной 2019 года.
«Еще в 2016 году мы показали, что прозрачная древесина обладает отличными теплоизоляционными свойствами по сравнению со стеклом в сочетании с высоким коэффициентом пропускания света», - говорит Келин Монтанари, который представляет исследование на собрании. «В этой работе мы постарались еще больше снизить энергопотребление здания, внедрив материал, который может поглощать, хранить и выделять тепло».
По мере развития экономики во всем мире потребление энергии резко возросло. Большая часть этой энергии используется для освещения, обогрева и охлаждения домов, офисов и других зданий. Стеклянные окна могут пропускать свет, помогая осветить и обогреть дома, но они не накапливают энергию для использования в темное время суток.
Три года назад ведущий исследователь Ларс Берглунд, доктор философии, и его коллеги из Королевского технологического института (KTH Royal Institute of Technology) в Стокгольме, Швеция, сообщили об оптически прозрачной древесине в журнале ACS Biomacromolecules. Исследователи создали материал, удалив поглощающий свет компонент, называемый лигнином, из клеточных стенок бальзового дерева. Чтобы уменьшить рассеивание света, они включили акрил в пористую деревянную структуру. Команда могла видеть материал, но он был достаточно непрозрачным, чтобы обеспечивать конфиденциальность, если использовался в качестве основного строительного материала. Прозрачная древесина также имела высокие механические свойства, что позволяло ей выдерживать большие нагрузки.
Опираясь на эту работу, Монтанари и Берглунд добавили полимер под названием полиэтиленгликоль (ПЭГ) в делигнифицированную древесину. «Мы выбрали ПЭГ из-за его способности аккумулировать тепло, а также из-за его высокого сродства к древесине», - говорит Монтанари. «В Стокгольме есть действительно старый корабль под названием Vasa, и ученые использовали ПЭГ для стабилизации древесины. Таким образом, мы знали, что ПЭГ может действительно глубоко проникнуть в деревянные клетки».
Известный как «материал с фазовым переходом», ПЭГ представляет собой твердое вещество, которое плавится при температуре 80 F, сохраняя энергию в процессе. Температуру плавления можно регулировать с помощью различных типов ПЭГ. «В солнечный день материал будет поглощать тепло, прежде чем достигнет внутреннего пространства, а в помещении будет прохладнее, чем снаружи», - объясняет Монтанари. «А ночью происходит обратное - ПЭГ становится твердым и выделяет тепло в помещении, чтобы вы могли поддерживать постоянную температуру в доме».
Команда инкапсулировала ПЭГ в делигнифицированный деревянный каркас, что предотвращало утечку полимера во время фазовых переходов. Они также включили акрил в материал, чтобы защитить его от влажности. Как и их предыдущая версия, модифицированная древесина была прозрачной, хотя и слегка мутной и прочной, но обладала дополнительным бонусом сохранения тепла.
Исследователи отмечают, что прозрачная древесина потенциально более экологична, чем другие строительные материалы, такие как пластик, бетон и стекло. В дополнение к своим способностям хранения тепла, прозрачная древесина может быть легче утилизирована после того, как она выполнит свою задачу. «ПЭГ и древесина являются и биоразлагаемыми», - отмечает Берглунд. «Единственная часть, которая не является биоразлагаемой, это акрил, но его можно заменить другим полимером на биологической основе».
Теперь основное внимание уделяется расширению производственного процесса, чтобы он был осуществим в промышленности. По оценкам исследователей, прозрачная древесина может быть использована для нишевых применений в дизайне интерьера всего через пять лет. Они также пытаются увеличить теплоемкость материала, чтобы сделать его еще более энергоэффективным.