Как биомасса растений может заменить невозобновляемые ресурсы в оптических устройствах
Растущий цифровой мир потребляет огромное количество сырья, производство которого часто наносит вред окружающей среде. Согласно исследованию, опубликованному в Advanced Materials, перспективным решением может стать использование возобновляемого сырья. Международная группа учёных детально изучила, как лигноцеллюлоза — или растительная биомасса — может применяться в оптических устройствах, потенциально заменяя такие распространённые материалы, как песок и пластики.
«Мы хотели как можно полнее выяснить, как лигноцеллюлоза может заменить невозобновляемые ресурсы в широко используемых технологиях, таких как умные устройства или солнечные элементы», — говорит Яана Вапаавуори, доцент функциональных материалов Университета Аалто, проводившая анализ с коллегами из Университета Турку, Исследовательского института Швеции (RISE) и Университета Британской Колумбии.
Лигноцеллюлоза, включающая целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин, содержится почти в каждом растении на Земле. Разлагая её на очень мелкие части и собирая заново, учёные могут создавать совершенно новые, пригодные к использованию материалы.
В своём обширном обзоре исследователи оценили различные производственные процессы и характеристики, необходимые для оптических применений: прозрачность, отражательную способность, фильтрацию УФ-излучения, а также структурную окраску.
«Комбинируя свойства лигноцеллюлозы, мы могли бы создавать светочувствительные поверхности для окон или материалы, реагирующие на определённые химические вещества или пар. Мы могли бы даже делать УФ-протекторы, которые поглощают излучение, действуя как солнцезащитный крем для поверхностей», — объясняет Вапаавуори.
«Мы можем фактически добавлять функции к лигноцеллюлозе и настраивать её легче, чем стекло. Например, если бы мы могли заменить стекло в солнечных элементах на лигноцеллюлозу, мы могли бы улучшить поглощение света и добиться большей эффективности работы», — говорит Кати Мьеттунен, профессор материаловедения Университета Турку.
Неиспользуемый потенциал
Поскольку спрос на древесную биомассу уже высок, а обширные поглотители углерода критически важны для здоровья планеты, исследователи в качестве источника лигноцеллюлозы указывают на то, что не используется: более миллиарда тонн биомассовых отходов, ежегодно создаваемых промышленностью и сельским хозяйством.
«В остатках лигноцеллюлозы от других отраслей промышленности кроется огромный неиспользуемый потенциал», — подчёркивает Вапаавуори.
Пока исследователи продолжают изучать биоматериалы и создавать прототипы. Например, в Университете Аалто учёные разработали оптические волокна и светочувствительные ткани.
Вапаавуори говорит, что переход к масштабированию и коммерциализации может быть достигнут двумя путями:
- Создание новых способов использования биоотходов через государственное регулирование.
- Проведение исследований, которые приведут к настолько впечатляющим демонстрациям и прорывам, что это создаст спрос на возобновляемые аналоги для оптических применений.
«Мы считаем, что нам нужно и политическое руководство, и солидные исследования».
Главным препятствием в разработке и коммерциализации инноваций на основе лигноцеллюлозы была её стоимость производства. Интерес к наноцеллюлозе возник ещё в начале 2000-х, но только сейчас энергопотребление и стоимость производства упали достаточно, чтобы стало возможным промышленное использование. Другая постоянная проблема заключается в простом, но фундаментальном компоненте обработки: воде.
«Целлюлоза любит воду. Чтобы использовать её в оптических приложениях, нам нужно найти способ сделать её стабильной во влажных условиях», — говорит Вапаавуори.