Voilà pourquoi les scientifiques développent désormais du bois… transparent

ll y a trente ans, un botaniste allemand avait un souhait simple : voir le fonctionnement interne des plantes ligneuses sans les disséquer. En blanchissant les pigments des cellules végétales, Siegfried Fink a réussi à créer du bois transparent et a publié sa technique dans une revue spécialisée sur la technologie du bois. L'article de 1992 est resté le dernier mot sur le bois transparent pendant plus d'une décennie, jusqu'à ce qu'un chercheur nommé Lars Berglund le découvre par hasard.

Berglund s'est inspiré de la découverte de Fink, mais pas pour des raisons botaniques. Le scientifique des matériaux, qui travaille au KTH Royal Institute of Technology en Suède, est spécialisé dans les composites polymères et souhaitait créer une alternative plus robuste au plastique transparent. Et il n'était pas le seul à s'intéresser aux vertus du bois. De l’autre côté de l’océan, des chercheurs de l’Université du Maryland s’affairaient à un objectif connexe : exploiter la résistance du bois à des fins non traditionnelles.

Aujourd’hui, après des années d’expérimentation, les recherches de ces groupes commencent à porter leurs fruits. Le bois transparent pourrait bientôt être utilisé dans la fabrication d'écrans ultra-résistants pour smartphones ; dans des luminaires doux et lumineux ; et même en tant qu'éléments structurels, tels que des fenêtres aux couleurs changeantes.

"Je crois sincèrement que ce matériau a un avenir prometteur", déclare Qiliang Fu, nanotechnologue du bois à l'Université forestière de Nanjing en Chine, qui a travaillé dans le laboratoire de Berglund en tant qu'étudiant diplômé.

Le bois est constitué d’innombrables petits canaux verticaux, comme un paquet serré de pailles liées ensemble avec de la colle. Ces cellules en forme de tube transportent l'eau et les nutriments dans tout l'arbre , et lorsque l'arbre est récolté et que l'humidité s'évapore, des poches d'air restent. Pour créer du bois transparent, les scientifiques doivent d’abord modifier ou éliminer la colle, appelée lignine, qui maintient les faisceaux de cellules ensemble et donne aux troncs et aux branches la plupart de leurs teintes brun terreux. Après avoir blanchi la couleur de la lignine ou l'avoir enlevée d'une autre manière, il reste un squelette blanc laiteux de cellules creuses.

Ce squelette est toujours opaque, car les parois cellulaires courbent la lumière à un degré différent de celui de l’air contenu dans les poches cellulaires – une valeur appelée indice de réfraction. Remplir les poches d'air avec une substance comme la résine époxy qui courbe la lumière dans un degré similaire aux parois cellulaires rend le bois transparent.

Le matériau avec lequel les scientifiques ont travaillé est mince – généralement de moins d’un millimètre à environ un centimètre d’épaisseur. Mais les cellules créent une structure en nid d'abeilles robuste et les minuscules fibres de bois sont plus résistantes que les meilleures fibres de carbone, explique Liangbing Hu, scientifique en matériaux, qui dirige le groupe de recherche travaillant sur le bois transparent à l'Université du Maryland à College Park. Et avec la résine ajoutée, le bois transparent surpasse le plastique et le verre : lors de tests mesurant la facilité avec laquelle les matériaux se fracturent ou se brisent sous la pression, le bois transparent s'est révélé environ trois fois plus résistant que les plastiques transparents comme le plexiglas et environ 10 fois plus résistant que le verre.

« Les résultats sont étonnants : un morceau de bois peut être aussi résistant que du verre », déclare Hu, qui a souligné les caractéristiques du bois transparent dans la Revue annuelle 2023 de la recherche sur les matériaux.

Le processus fonctionne également avec du bois plus épais, mais la vue à travers cette substance est plus floue car elle diffuse plus de lumière. Dans leurs études originales de 2016, Hu et Berglund ont tous deux découvert que des feuilles millimétriques de squelettes de bois remplis de résine laissaient passer 80 à 90 % de la lumière. À mesure que l'épaisseur se rapproche d'un centimètre, la transmission de la lumière diminue : le groupe de Berglund a rapporté que le bois de 3,7 millimètres d'épaisseur – environ deux centimes d'épaisseur – ne transmettait que 40 % de la lumière.

Le profil mince et la résistance du matériau signifient qu’il pourrait constituer une excellente alternative aux produits fabriqués à partir de fines coupes de plastique ou de verre facilement brisées, comme les écrans d’affichage. La société française Woodoo, par exemple, utilise un processus similaire d'élimination de la lignine dans ses paravents en bois, mais laisse un peu de lignine pour créer une esthétique de couleur différente. L'entreprise adapte ses écrans numériques tactiles et recyclables à des produits tels que les tableaux de bord de voiture et les panneaux d'affichage publicitaires.

Mais la plupart des recherches se sont concentrées sur le bois transparent en tant qu'élément architectural, les fenêtres étant une utilisation particulièrement prometteuse, explique Prodyut Dhar, ingénieur biochimiste à l'Institut indien de technologie de Varanasi. Le bois transparent est un bien meilleur isolant que le verre, il pourrait donc aider les bâtiments à retenir la chaleur ou à l’empêcher d’entrer. Hu et ses collègues ont également utilisé de l'alcool polyvinylique, ou PVA – un polymère utilisé dans la colle et les emballages alimentaires – pour infiltrer les squelettes de bois, produisant ainsi un bois transparent qui conduit la chaleur à un taux cinq fois inférieur à celui du verre, a rapporté l'équipe en 2019 dans Matériaux fonctionnels avancés .

Et les chercheurs proposent d'autres modifications pour augmenter la capacité du bois à retenir ou à libérer de la chaleur, ce qui serait utile pour les bâtiments économes en énergie. Céline Montanari, spécialiste des matériaux aux instituts de recherche RISE de Suède, et ses collègues ont expérimenté des matériaux à changement de phase, qui passent du stockage à la libération de chaleur lorsqu'ils passent de solide à liquide, ou vice versa. En incorporant du polyéthylène glycol, par exemple, les scientifiques ont découvert que leur bois pouvait stocker de la chaleur lorsqu'il était chaud et restituer de la chaleur en refroidissant, travaux qu'ils ont publiés dans ACS Applied Materials and Interfaces en 2019.

Les fenêtres en bois transparentes seraient donc plus solides et faciliteraient mieux le contrôle de la température que le verre traditionnel, mais la vue à travers elles serait floue, plus semblable au verre dépoli qu'à une fenêtre ordinaire. Cependant, le flou pourrait être un avantage si les utilisateurs souhaitent une lumière diffuse : étant donné que le bois plus épais est solide, il pourrait constituer une source de lumière partiellement porteuse, explique Berglund, agissant potentiellement comme un plafond fournissant une lumière ambiante douce à une pièce.

Hu et Berglund ont continué à chercher des moyens de conférer de nouvelles propriétés au bois transparent. Il y a environ cinq ans, Berglund et ses collègues du KTH et du Georgia Institute of Technology ont découvert qu'ils pouvaient imiter les fenêtres intelligentes , qui peuvent passer du transparent au teinté pour bloquer la visibilité ou les rayons du soleil. Les chercheurs ont pris en sandwich un polymère électrochrome – une substance qui peut changer de couleur avec l’électricité – entre des couches de bois transparent recouvertes d’un polymère d’électrode pour conduire l’électricité. Cela a créé une vitre en bois qui passe du clair au magenta lorsque les utilisateurs y font passer un petit courant électrique.

Plus récemment, les deux groupes ont porté leur attention sur l’amélioration de la durabilité de la production de bois transparent. Par exemple, la résine utilisée pour remplir les échafaudages en bois est généralement un produit plastique dérivé du pétrole, il est donc préférable d'éviter de l'utiliser, explique Montanari. En remplacement, elle et ses collègues ont inventé un polymère entièrement biosourcé, dérivé d'écorces d'agrumes. L'équipe a d'abord combiné l'acide acrylique et le limonène, un produit chimique extrait des écorces de citron et d'orange que l'on trouve dans les huiles essentielles. Ensuite, ils en ont imprégné du bois délignifié. Même avec un remplissage fruité, le bois transparent d'origine biologique a conservé ses propriétés mécaniques et optiques, résistant à environ 30 mégapascals de pression de plus que le bois ordinaire et transmettant environ 90 % de la lumière, ont rapporté les chercheurs en 2021 dans Advanced Science .

Le laboratoire de Hu, quant à lui, a récemment rapporté dans Science Advances une méthode de blanchiment de la lignine plus écologique qui s'appuie sur le peroxyde d'hydrogène et les rayons UV, réduisant ainsi davantage les besoins énergétiques de la production. L'équipe a brossé des tranches de bois d'environ 0,5 à 3,5 millimètres d'épaisseur avec du peroxyde d'hydrogène, puis les a laissées devant des lampes UV pour imiter les rayons du soleil. Les UV ont blanchi les parties de lignine contenant des pigments mais ont laissé les parties structurelles intactes, aidant ainsi à conserver plus de résistance dans le bois.

Ces approches plus respectueuses de l'environnement aident à limiter la quantité de produits chimiques toxiques et de polymères d'origine fossile utilisés dans la production, mais pour l'instant, le verre a encore moins d'impacts environnementaux en fin de vie que le bois transparent, selon une analyse de Dhar et ses collègues de Science. de l'Environnement Total . Adopter des programmes de production plus écologiques et intensifier la fabrication sont deux étapes nécessaires pour ajouter du bois transparent aux marchés traditionnels, affirment les chercheurs, mais cela prendra du temps. Cependant, ils sont convaincus que cela est possible et croient en son potentiel en tant que matériau durable.

« Lorsque vous essayez d'atteindre la durabilité, vous ne voulez pas seulement égaler les propriétés des matériaux d'origine fossile », explique Montanari. "En tant que scientifique, je veux surpasser cela."