Det første, man bemærker ved træet, der bliver produceret i professor Lars Berglunds laboratorium, er, at det er gennemsigtigt. Glem alt om eg, ahorn eller kirsebær – dette ligner en plade af plast.
Berglund har manipuleret det for at opnå netop denne effekt ved at erstatte træets lignin med en optisk kompatibel polymer for at skabe et komposit, der har potentialet til at lave indendørsbelysning om til noget, der efterligner naturligt lys. Derudover kan materialet bruges i bærende konstruktioner, nedsætte omkostninger til opvarmning og afkøling samt booste en bygnings energieffektivitet.
Det er utroligt, hvad nanoteknologi kan gøre for arkitektur, byggeri og ingeniørarbejde nu om dage.
Miljøvenlig materialeteknik
Berglunds interesse for polymerer og plasttyper blev vækket af en “inspirerende” bachelor-forelæsning, der sendte ham på et karriereforløb, der startede med arbejde med kulfiberkompositter til luftfart. Efter at have undervist i dette emne i over et årti, blev han ansat på Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) i Sverige og flyttede opmærksomheden mod trækompositter. I dag leder Berglund også WoodNano Tech-projektet, der blev lanceret i 2017 og er finansieret af Europa-Kommissionen til og med 2022.
Hvad gør træ til et godt valg som grundlag for nanoteknologi?
“Hvis man tænker over, hvordan beton bliver fremstillet, eller alle de plastmaterialer, der dominerer markedet, så er det nødvendigt at bruge en masse energi blot til at skabe materialerne,” siger Berglund. “Men i dette tilfælde gør den biologiske organisme arbejdet for os. Det har ikke kun krævet nul energi at skabe materialet, det lagrer også kuldioxid fra luften i træets væv. Det er et fantastisk udgangspunkt. Vi har et utrolig funktionelt materiale til byggeri, der samtidig kommer fra vedvarende ressourcer. Og ikke kun det, det har også en lav værdi af opmagasineret energi.”
Selvom der er “stor opmærksomhed på nanoteknologi i dag,” tilføjer Berglund, handler de fleste anvendelsesområder om elektronik eller fotonik. Typisk foretager forskere “bottom-up-syntese”, der starter på atomniveau og derefter specialfremstiller det materiale, de fremstiller. Og inden for disse anvendelsesområder vil en stor struktur være noget på størrelse med et frimærke.
Men Berglund og hans hold arbejder med et materiale, der allerede har en nanostruktur og er porøst, “hvilket betyder, at vi kan bruge dette som substrat til yderligere funktionalitet,” siger han. Komposittet kan mættes med yderligere funktionelle materialer, og dette kan gøres i stor skala.
“I fremtiden kunne vi potentielt få kæmpestrukturer, der stadig er baseret på nanoteknologi, og de kan behandles delvist ved hjælp af de etablerede industrimetoder,” siger Berglund.
Et lyst øjeblik
Traditionelt involverer belysning brugen af en lyskilde og en diffusor til at sprede og blødgøre lyset. Men lysstyrken vil variere i rummet. Træets interne struktur fremmer en vis naturlig spredning, som forskerholdet har fundet en måde at udnytte. Resultatet er, at et rum bliver mere ensartet og behageligt oplyst uden områder, hvor lyset er for skarpt eller for svagt.
Berglunds arbejde på dette område fokuserer på at integrere kvanteprikker i den naturlige træstruktur. Prikkerne er halvlederatomer, der lyser op, når de udsættes for UV-lys. Berglund bruger en analogi til at hjælpe med at forklare konceptet med almindeligt sprog: Fjernsyn fra Samsung bruger kvanteprikker til at producere et kraftigere lys. Eftersom Berglund og hans hold indlejrer lysdioder i deres trækomposit, kan en hel væg eller et loft blive til en kilde til jævnt fordelt – og mere energieffektivt – lys.
“Vi har et træsubstrat. Vi fjerner lignin. Vi introducerer en polymer og distribuerer disse kvanteprikker i denne ikke-flydende polymer,” siger Berglund. “På den måde bliver de også en del af hele kompositstrukturen.”
Struktureret til yderligere funktionalitet
Det LED-indlejrede kompositmateriale kan også være bærende. “Eftersom vi har et træskelet, kan vores lyskilde også tåle en belastning,” siger Berglund. “Vi kan integrere det i loftet, hvor det kunne være en del af den bærende struktur.”
Derudover har Berglund og hans hold eksperimenteret med at integrere andre materialer end polymerer: Ved hjælp af faseændringsmateriale kan trækomposittet konverteres til en energilagringsenhed. Denne funktion har været særlig interessant for arkitekter.
Berglund forklarer:
“Lad os sige, at vi har et gennemsigtigt panel i huset. Vi har partikler inden i træmaterialet: polymeren, træsubstratet og partiklerne, der kan ændre fase. Når solen skinner gennem det gennemsigtige træ, bliver det varmet op. Det får partiklerne til at smelte, hvilket betyder, at noget af den energi, der ville være gået ind i huset, bliver brugt til at smelte partiklerne i faseændringsmaterialet.”
“Den første fordel er, at huset ikke bliver så varmt, som det ellers ville være blevet. Derefter, når solen går ned, begynder de smeltede partikler i faseændringsmaterialet at krystalliseres igen, og derefter afgiver de varme. Vi gemmer noget af solenergien, og vi bruger den om aftenen, når det begynder at blive køligere.”
Hele denne funktionalitet kommer fra det, der med det blotte øje ser ud til at være et ganske almindeligt stykke gennemsigtigt plast. Udseendet har også været underlagt holdets opmærksomhed i betragtning af vigtigheden ved æstetikken i arkitekturen. Som en påmindelse om at grundmaterialet er træ, har komposittet fået en overfladestruktur, der minder om træ.
Vinduer er åbne for mere smart innovation
Berglund og hans hold eksperimenterer også med elektrokrome smarte vinduer. Disse gør også brug af polymerer, der påføres som en tynd belægning. Ved hjælp af en kontakt kan de styre mængden af udefrakommende lys, der når ind i et værelse, og endda farven på lyset.
Fordelen i forhold til gardiner eller persienner er, at man kan styre lyspåvirkningen udefra uden at blokere udsigten, og at det kan dæmpes eller lysnes gradvist. Det er “en mere elegant måde” at styre lysniveauet på, siger Berglund.
Det foreløbige arbejde er blevet anerkendt med “et par patenter, og der er et firma, der arbejder på at udvikle det grundlæggende patent,” siger Berglund. Han siger, at han ikke har lov til at fortælle firmaets navn, men at han forventer, at de første produkter endnu er et par år fra at komme på markedet.
Salg er dog ikke Berglunds største bekymring. Hans primære motivation er derimod “nysgerrighedsdrevet forskning.” Og det fungerer tydeligvis godt for ham.
