Chemistry World
Het publieksvoorlichtende tijdschrift Chemistry World kwam op 20 febr 2023 met het artikel ‘The wonderful wizards of wood’ ( the-wonderful-wizards-of-wood ). Daarin sprak Kit Chapman met enkele geleerden over hun radicaal vernieuwende houtprojecten.
Sommige ervan zijn zeer relevant. Ik heb er, naast Chapman, originele literatuur bij gepakt.
Maatschappelijk belang
De wereld heeft materialen nodig om plastic en staal en aluminium te vervangen. Hout kan daar, onder voorwaarden, voor dienen.
Bovendien kan er milieuproblematiek mee worden teruggedrongen.
Houten satellieten
Vooralsnog is voor mij een curiosum dat professor Takao Doi, die zelf astronaut geweest is, aan de Universiteit van Kyoto een satelliet ontwikkelt die voor een groot deel uit hout bestaat (afbeelding links). Die zou eind 2023 gelanceerd moeten worden. Samenwerkingspartner is Sumitomo Forestry Co. Het is wel een serieus verhaal, maar wat het waard is, moet blijken.
Doi is niet de eerste die met dit idee komt. Arctic Astronautics uit Finland werkt aan de WISA Woodsat (WISA is een merk gecoat multiplex). Vooralsnog is het niet meer dan een kubus, met inhoud, van 10cm waarvan alleen gemeld is dat hij getest wordt. Afbeelding rechts, zie https://arcticastronautics.fi/ . Het armpje is voor selfies. Vooralsnog lijkt het speelgoed of educatief materiaal. Of PR voor WISA multiplex.
De conservatieve houtwereld (geschematiseerd)
Houtboeren staan in een traditie van eeuwen en gedragen zich daar naar – welk gedrag ik overigens niet minacht, want ik heb grote waardering voor hout als bouwmateriaal.
Een gemiddelde houtboer kijkt van buiten naar binnen en ziet een stam met een nerf, die hij in stukken kan zagen om nuttige dingen mee te doen (vooral timmerhout en wat het beste uitkomt voor wat geen timmerhout is – papier, brandhout). De research is hoe je zo goed mogelijk een bos runt (natuur- of productie-).
Houtconservering betekent vaak vergif.
Moderne onderzoekers kijken van binnen naar buiten. Ze zien een 3D-biopolymeer composiet met interessante vezels. Dat daar een stam omheen zit, is bijzaak (en als die stam dik is, kan dat zelfs lastig zijn).
Ze denken vanuit de moleculaire en de nano-schaal.
De bouw van hout. Lignine is in deze tekening weggelaten
Hoe zit hout in elkaar?
De drie hoofdbestanddelen van hout zijn cellulose, hemicellulose en lignine.
Cellulose (het meest voorkomende organische polymeer op aarde) bestaat uit lange, rechte, onvertakte fibers die hout zijn stevigheid geeft.
Hemicellulose (ook een biopolymeer) werkt zo ongeveer als koppelelementen die binnen de celwand de cellulosevezels onderling verbindt. Hemicellulosevezels kunnen vertakt zijn.
Lignine is een amorfe massa die alles bij elkaar houdt. Een oppervlakkige vergelijking zegt dat lignine zoiets als het beton is en cellulose de bewapening.
Cellulosevezels stapelen zichzelf op tot microfibrillen, en die zijn zoiets als de structurele basiseenheid. Daaruit ontstaan hogere organisatievormen, zoals het vatensysteem. Hoe dat allemaal werkt is een vak op zich, en dat voert hier te ver.
Hieronder een doorsnee van ‘basswood’, een Amerikaanse versie van de linde (uit Structure of wood, Society of Wood Science and Technology (SWST), Teaching Unit nr1)
Basswood (lindenhout)
De traditionele houtverwerkende industrie gebruikt de scheikunde in beperkte mate, bijvoorbeeld de bulkproductie van papier. Daarvoor wil men schone (hemi)cellulose. Dus moet de lignine uit het hout gehaald worden, want anders verkleurt het papier en wordt het minder sterk. Lignine uit hout halen gaat goed met overzichtelijke methoden.
Er zit ook nog wat traditionele houtchemie in bijvoorbeeld de productie van terpentijn, maar door de bank genomen zijn dit bestaande procedé’s en was er weinig chemische vooruitgang.
De onderzoekers in het artikel van Chemistry World brengen recente chemische vooruitgang in beeld.
Rowell van de Universiteit van Wisconsin – Madison ( https://scholar.google.com/citations?user=DpqNFHkAAAAJ&hl=en ) heeft een imposant oeuvre op zijn naam staan.
Het recentste, veel geciteerde, werk gaat over de ‘Acetylation of wood’. Daarmee haalde hij Chemistry World. Dat is een houtconserveringstechniek, die al langer onderzocht wordt, en die geen gebruik maakt van gif. In plaats daarvan wordt azijnanhydride gebruikt. Deze stof bestaat uit twee aan elkaar gekoppelde moleculen van azijnzuur. Dat wordt ingebracht met bijvoorbeeld vacuümtechniek en verwarming met microgolven. Het ene azijnmolecuul koppelt zichzelf aan zijn wederhelft in een houtvezel, het andere molecuul vertrekt.
Bij een Zweedse proef bleef hout over 20 jaar beter dan bij gebruik van het vanwege zijn giftigheid inmiddels verboden wolmanzout.
Het systeem beschermt goed tegen schimmels en ook termieten happen minder snel weg (de beesten overleven het probleemloos).
Het hout wordt droger, iets volumineuzer en iets sterker, beter bestand tegen verwering, en werkt minder. Als je zin hebt om er meer van te weten, zie hieronder. De moeilijkheidsgraad valt mee.
Heb je bij Rowell nog het idee dat hij nog vooral in balken en planken en spaanplaat denkt, bij Liangbing Hu (Universiteit van Maryland) is het uitvinden doel in zich en als dat tot betere planken leidt, is dat meegenomen.
Professor Hu met zijn superhout (foto Universiteit Maryland)
Hu is afgestudeerd op koolstof-nanovezels en vond daarna uit dat nanofibers in hout daar erg veel van weg hebben. Boomstammen zijn niet interessant (veel te ingewikkeld), houtvezels in de boomstammen wel. Vooral nano.
Zijn spin-off InventWood ( https://inventwood.com/ ) mag er geld mee verdienen.
Een lezenswaardig artikel (naast dat waarmee dit verhaal begon) staat in het blad van de American Chemical Society (ACS) op Liangbing-Hu-makes-wood-stronger-than-steel .
Zie ook super-wood-could-replace-steel .
(van de site van Inventwood)
Uitgaande van een stuk reëel bestaand hout kun je twee kanten op: je kunt de natuurlijke porositeit minder maken (dan druk je het dicht) of je kunt die porositeit juist gebruiken en eventueel versterken.
Om het dichter te maken, sloop je de hemicellulose en de lignine gedeeltelijk uit het hout (niet te veel, niet te weinig). Dat gaat met zeven uur natronloog en natriumsulfiet en waterstofperoxide(een proces bekend uit de papierindustrie), en dan een dag samenpersen bij 100°C. De cellulosevezels gaan parallel liggen en knoesten worden platgedrukt. Er blijft eenvijfde van het oorspronkelijke volume over en dat hout is sterker dan staal, maar zes maal lichter.
Er is een filmpje dat een kogel in gelaagd superhout blijft steken ( https://youtu.be/LVbczXDFe1Q ). Het pantser is niet zo goed als kevlar, maar wel zeer veel goedkoper. Het Amerikaanse Ministerie van Defensie heeft belangstelling.
Op deze manier kan zacht hout als grenen of balsa, dat snel groeit en het leefmilieu niet bijzonder belast, opgewaardeerd worden tot hardhout.
Verdicht hout vliegt een stuk moeilijker in brand als normaal hout.
Anderzijds kan het heel goed tegen vocht. Bij een vijfdaagse proef in extreem natte omstandigheden zwelt het nauwelijks en, na het aanbrengen van een laag verf, helemaal niet.
En waar bij de productie van 1 kg staal 1,85kg CO2 vrijkomt, wordt bij de productie van 1 kg van dit hout 1,8kg CO2 opgenomen – voor een nog onbepaald lange tijd, vooral als je houten constructiedelen standaardiseert voor hergebruik.
Hout kan ook rubberachtig gemaakt worden (het stuit dan als een pingpongbal, zie squish-video-2 en bounce-video ).
Er is ook doorschijnend hout beschikbaar (combinatie met plexiglas-hars).
Zie https://www.scientificamerican.com/article/stronger-than-steel-able-to-stop-a-speeding-bullet-mdash-it-rsquo-s-super-wood/ .
Transparant hout
Ook begint hout op de gewenste wijze vervormbaar te worden (op waterbasis, na verwijdering van lignine). Het kan dan in sommige toepassing kunststof vervangen. Zie moldable-wood-from-water .
De spin-off noemt op zijn website houten isolatiemateriaal dat ongeveer de rol over zou nemen van piepschuim.
Het is me nog niet duidelijk in hoeverre is al deze gevallen sprake is van oplossingen, op zoek naar een probleem. De spin-off is er goed voor. Transparant glas in tuinbouwkassen? Pingpongbalhout als schokdemper?
Wat zinvol en uitvoerbaar oogt, en niet met andere methodes bereikbaar, is thermische isolatie die in verschillende richtingen verschillend werkt. In Science Advances van 09 maart 2018 ( https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aar3724 ) schetsen Lianbing Hu e.a. hoe men met nano-cellulosefibers thermische isolatie zou kunnen maken die dwars op de vezelrichting sterker isoleert dan in de vezelrichting. Simpel gezegd: wat er van boven op valt en niet teruggekaatst wordt, komt er opzij uit. Natuurkundig gezegd formuleert Hu het als volgt: het materiaal is van boven thermisch wit (neemt nauwelijks zonlicht op) en opzij thermisch zwart (straalt in het infrarood alles uit). Ik denk dat het effect bestaat, maar dat de bewering van Hu wat te sterk aangezet is.
De spin-off biedt het nog niet aan op zijn website.
Science Advances, 09 maart 2018, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aar3724
Een andere interessante gedachte is dat je met hout water zou kunnen ontzouten. Je laat een dunne plak hout (bijvoorbeeld lindenhout), waarvan je de bovenkant door even verkolen zwart gemaakt hebt, in zout water drijven waardoor het hout doet wat bomen altijd doen, namelij water naar boven pompen. Onder fel licht zou de temperatuur dan zo hoog worden dat het water in de houtvaten gaat koken en als stoom ontwijkt. Die kan dan worden opgevangen en gecondenseerd (waar overigens dan ook weer ergens koude vandaan gehaald moet worden).
Normaliter degraderen die vaten snel omdat het zout zich op de wand af zet. Hu stelt dat dat bij bomen niet gebeurt omdat die eraan gewend zijn, en omdat er aanvullende maatregelen mogelijk zijn. Je zou graag willen dat het waar was, maar het artikel in kwestie ( solar-evaporator-offers-a-fresh-route-to-fresh-water ) is al weer van april 2019 en ik heb nog geen vervolg gezien.
De spin-off biedt nog niet wat aan.
3D-printen met hout
Nog even terug naar het artikel in Chemistry World.
Doron Kam van de Hebreeuwse Universiteit van Jerusalem kan allerlei objecten 3D-printen met cellulose nanovezels, zaagsel en een bepaald soort hemicellulose als dispersie in water.
Tevreden is hij er nog niet mee. Het uitgangsmateriaal is te heterogeen van grootte en de objecten zijn te watergevoelig.
En waar laat je de lignine?
Hu zegt dat ze in de papierindustrie zeggen ‘you canmake everything out of ligni except money’. Meestal wordt het verbrand voor warmte. Vooralsnog noemt Hu geen betere bestemming, maar hij suggereert dat hij bezig is.
In Nederland wordt overwogen om lignine te gebruiken als vulmiddel voor asfalt. Als minstens 45% uit lignine bestaat, mag het bio-asfalt heten van RVO ( officiele definitie bio-asfalt ) en zie ook https://www.infrasite.nl/wegen/2023/05/01/plantaardig-asfalt-kan-uitstoot-wegaanleg-halveren/?gdpr=accept .
Update dd 18 aug 2023
Onderzoekers in Zweden zijn er in geslaagd uit hout batterijen en transistoren te maken. Zie https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/acscentsci.3c00949 . Wat lignine verwijderen, zorgen dat het klets nat is, en toeslagstoffen.
Het staat nog oin de kinderschoenen en het is ongetwijfeld te weinig om een elektrische auto mee aan te drijven, maar in de rimboe en voor toepassingen die niet veel vragen, wordt het misschien wat.
En je hebt er in principe weinig of geen zelfzame elementen voor nodig.
