なぜ科学者は透明な木材を作るのか？

天然木は、その多用途性、再生可能性、美的魅力が評価され、建築、燃料、家具の重要な資源となってきた。しかし、その本質的な多孔質構造と化学組成を化学的・物理的に変化させることで、木材の光学的、熱的、機械的、イオン輸送特性を微調整する方法を科学者たちが考案し、木材の新たな可能性が生まれつつある。

この目的を追求するため、研究者たちは近年、木材を改質する革新的な戦略を考案し、木材に新たな能力を付与している。その最たるものが、「透明な木材」だ。

透明な木材は、超耐久性のあるスマートフォンのスクリーンから、柔らかく発光する照明器具まで、潜在的な用途があり、多目的に利用できるようになるだろう。さらに、色を変えられる窓のような構造要素にも利用できるだろう。

研究の進展

30年前、ドイツの植物学者Siegfried Finkは、植物細胞から色素を除去することによって透明な木材を作り出した。

Ars Technicaによれば、スウェーデンのKTH王立工科大学のLars Berglundがこの論文に出会うまで、10年以上にわたってFinkが1992年に発表した論文が透明な木材に関する決定的な資料となっていた。

同時に、メリーランド大学カレッジパークの材料科学者Liangbing Huが率いる別の研究者グループも、天然木を直接工学的に加工して透明な木材を開発することに積極的に取り組んでいる。

木材は、接着剤で固められたストローの束のような、無数の小さな縦管から構成されている。これらの管状の細胞は、木の中で水と栄養分を運ぶ役割を果たしている。木が収穫され水分が蒸発すると、エアポケットが残る。

透明な木材を作るには、科学者たちはまず、細胞の束を結合させ、幹や枝に土色がかった褐色を与えているリグニンとして知られる接着剤を変化させるか、除去しなければならない。リグニンの色を漂白または除去した後、中空細胞の乳白色の骨組みが残る。

これは、細胞壁が細胞ポケット内の空気とは異なる屈折率で光を屈折させるためである。透明性を得るには、エポキシ樹脂のような材料でこの空洞を埋める必要がある。エポキシ樹脂は細胞壁と同じように光を屈折させ、木材を透明にする。

多様な特性

研究チームは、エネルギー効率が高く、光を集める建築材料である透明な木材を作り出した。光を吸収するリグニンを除去し、屈折率に合ったポリマー状のエポキシ樹脂を木材に充填するのだ。

この透明な木材は、光学的な特性であるヘイズ（散乱光の指標）が約80％で、85％以上の光を通す。まぶしさを感じることなく太陽光を取り入れることができ、省エネと快適な室内照明につながる。透明な木材はヘイズが高いため、室内照明が均一になるのだ。

また、強力な機械的完全性（約100MPa）を誇り、衝撃エネルギーを効果的に吸収し、延性があるため、一般的にガラス素材に関連する安全性の懸念に対処できる。

さらに、透明な木材は断熱材としてガラスを上回り、建物の保温や放熱に役立つ可能性がある。胡氏と彼の研究チームは、接着剤や食品包装によく使われるポリビニルアルコール（PVA）を木材の骨格に注入した。その結果、熱伝導率がガラスの5倍も低い透明な木材ができた。

ベルグルンドとKTHおよびジョージア工科大学の研究チームはまた、スマートウィンドウの機能を再現する方法を発見した。Ars Technicaによれば、彼らの方法は、電気を通すための電極ポリマーでコーティングされた透明な木材層の間に、電気によって色を変えることができるエレクトロクロミックポリマーを重ねるというものだった。

科学者たちは現在、有害な化学物質や化石由来のポリマーの使用を最小限に抑えることで、透明木材の環境適合性を高めることを目指しているとのことだ。

Sources