Gỗ trong suốt có thể thay thế vật liệu xây dựng truyền thống

Từ một vật liệu quen thuộc trong đời sống, gỗ có thể được biến đổi để đảm nhiệm những chức năng mà trước đây chủ yếu thuộc về kính và các vật liệu tổng hợp.

Đầu tháng 10/2020, Bộ Nông nghiệp Mỹ (USDA) cùng các nhà nghiên cứu đã công bố những kết quả đáng chú ý liên quan đến vật liệu gỗ trong suốt trên tạp chí Advanced Functional Materials. Nghiên cứu cho thấy loại vật liệu này có nhiều đặc tính khác biệt so với gỗ thông thường, đặc biệt là khả năng truyền sáng, độ bền cơ học và khả năng cách nhiệt.

So với kính,  gỗ trong suốt có trọng lượng thấp hơn và ít có xu hướng vỡ thành những mảnh sắc nhọn khi chịu tác động mạnh. Vật liệu này cũng có thể mang lại khả năng cách nhiệt tốt, trong khi vẫn cho phép ánh sáng tự nhiên đi qua. Đây là những đặc tính có giá trị đối với các công trình hướng tới giảm tiêu thụ năng lượng và tăng cường sử dụng ánh sáng tự nhiên.

Quá trình tạo ra gỗ trong suốt

Để tạo ra gỗ trong suốt, trước hết các nhà nghiên cứu phải xử lý cấu trúc gỗ nhằm loại bỏ hoặc làm biến đổi lignin – hợp chất hữu cơ góp phần tạo nên màu nâu và khả năng hấp thụ, tán xạ ánh sáng của gỗ tự nhiên. Công đoạn này có điểm tương đồng với quá trình xử lý nguyên liệu gỗ để sản xuất bột giấy.

Sau khi lignin được loại bỏ một phần hoặc gần như hoàn toàn, mạng lưới cellulose của gỗ vẫn được giữ lại. Đây là bộ khung quan trọng giúp vật liệu duy trì độ bền cơ học và hình dạng ban đầu. Tuy nhiên, chỉ loại bỏ lignin chưa đủ để tạo ra một tấm gỗ trong suốt, bởi cấu trúc xốp bên trong vẫn có thể khiến ánh sáng bị tán xạ mạnh.

Vì vậy, bước tiếp theo là đưa một loại polymer trong suốt, chẳng hạn epoxy hoặc polymer có tính chất tương tự, vào các khoảng trống của cấu trúc gỗ. Polymer giúp giảm sự chênh lệch về tính chất quang học giữa các thành phần bên trong vật liệu, đồng thời liên kết và gia cường mạng cellulose.

Kết quả là một vật liệu vẫn giữ được cấu trúc dạng gỗ nhưng có khả năng truyền ánh sáng đáng kể. Tùy thuộc vào loại gỗ, kích thước mẫu và phương pháp xử lý, thời gian chế tạo có thể khác nhau và quy trình thực tế cần được tối ưu hóa để phù hợp với sản xuất quy mô lớn.

Gỗ trong suốt có khả năng truyền sáng cao

Thành phẩm là vật liệu có trọng lượng tương đối nhẹ, độ bền cơ học tốt và khả năng truyền sáng. Không giống kính thông thường, gỗ trong suốt vẫn giữ lại một phần cấu trúc sợi tự nhiên của gỗ. Vì thế, ánh sáng đi qua vật liệu có thể bị tán xạ thay vì truyền thẳng hoàn toàn, tạo ra hiệu ứng chiếu sáng dịu và đồng đều hơn.

Đặc tính này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong kiến trúc và xây dựng. Gỗ trong suốt có thể được nghiên cứu để sử dụng làm cửa sổ, vách ngăn, mái lấy sáng, tấm ốp hoặc các chi tiết nội thất cần kết hợp giữa khả năng truyền sáng và độ bền cơ học.

Một ưu điểm đáng chú ý khác là khả năng cách nhiệt. Trong những cấu hình phù hợp, gỗ trong suốt có thể hạn chế truyền nhiệt tốt hơn kính thông thường, từ đó góp phần giảm nhu cầu sử dụng hệ thống sưởi hoặc làm mát trong công trình. Tuy nhiên, hiệu quả cách nhiệt thực tế phụ thuộc vào thành phần vật liệu, độ dày, loại polymer và thiết kế của tấm gỗ.

Tiềm năng ứng dụng trong năng lượng mặt trời

Gỗ trong suốt cũng đang được nghiên cứu cho các ứng dụng liên quan đến năng lượng mặt trời. Cấu trúc bên trong của vật liệu có khả năng truyền và tán xạ ánh sáng, giúp phân bố ánh sáng đồng đều hơn khi kết hợp với các thiết bị quang điện.

Trong một số thiết kế thử nghiệm, gỗ trong suốt có thể đóng vai trò như một lớp vật liệu quang học nằm phía trước tế bào hoặc mô-đun năng lượng mặt trời. Mục tiêu là tận dụng tốt hơn lượng ánh sáng chiếu tới và hạn chế những vùng có cường độ ánh sáng không đồng đều.

Dù vậy, đây vẫn là hướng nghiên cứu đang được phát triển. Khả năng thực sự cải thiện hiệu suất pin mặt trời phụ thuộc vào cấu trúc của gỗ, loại polymer, độ truyền sáng và cách vật liệu được tích hợp vào hệ thống quang điện.

Lợi thế về môi trường nhưng vẫn còn thách thức

Một trong những điểm hấp dẫn của gỗ trong suốt là nguyên liệu ban đầu có nguồn gốc sinh học. Nếu được sản xuất từ các nguồn gỗ được quản lý bền vững và sử dụng hiệu quả, vật liệu này có thể góp phần giảm sự phụ thuộc vào một số vật liệu có nguồn gốc hóa thạch.

Tuy nhiên, không nên xem gỗ trong suốt là vật liệu hoàn toàn thân thiện với môi trường. Quá trình xử lý lignin sử dụng hóa chất và năng lượng, trong khi polymer được đưa vào cấu trúc gỗ có thể ảnh hưởng đến khả năng tái chế và phân hủy của sản phẩm cuối cùng. Do đó, đánh giá toàn bộ vòng đời của vật liệu là yếu tố quan trọng trước khi khẳng định những lợi ích môi trường của gỗ trong suốt.

Bên cạnh đó, vật liệu vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức như chi phí sản xuất, khả năng mở rộng quy mô, độ bền trong điều kiện ngoài trời, khả năng chống ẩm, chống cháy, chống tia cực tím và độ ổn định của polymer theo thời gian. Đây là những yếu tố quyết định liệu gỗ trong suốt có thể chuyển từ phòng thí nghiệm sang các công trình thực tế hay không.

Bước đột phá tiềm năng cho ngành xây dựng

Với sự kết hợp giữa cấu trúc tự nhiên của gỗ và những đặc tính quang học mới, gỗ trong suốt đang mở ra một hướng tiếp cận thú vị trong lĩnh vực vật liệu xây dựng. Thay vì chỉ coi gỗ là vật liệu kết cấu hoặc trang trí, các nhà khoa học đang tìm cách biến nó thành vật liệu có khả năng truyền sáng, cách nhiệt và tham gia vào những hệ thống công nghệ mới.

Trong tương lai, nếu các vấn đề về chi phí, độ bền và quy mô sản xuất được giải quyết, gỗ trong suốt có thể trở thành lựa chọn đáng chú ý cho cửa sổ, vách ngăn, mái lấy sáng, mặt dựng và các công trình sử dụng nhiều ánh sáng tự nhiên. Vật liệu này cũng có tiềm năng kết hợp với công nghệ năng lượng mặt trời và các giải pháp kiến trúc tiết kiệm năng lượng.

Dù chưa thể thay thế hoàn toàn kính, nhựa hay các vật liệu xây dựng truyền thống, gỗ trong suốt cho thấy tiềm năng của việc kết hợp vật liệu sinh học với công nghệ vật liệu hiện đại. Đây có thể là một hướng phát triển quan trọng trong quá trình tìm kiếm những vật liệu xây dựng vừa có hiệu năng cao, vừa đáp ứng yêu cầu về thẩm mỹ và tính bền vững.

BuilData